на какой угол в пространстве смещены оси обмотки в двухфазном асинхронном двигателе

Асинхронный двигатель принцип работы

Среди разнообразия выпускаемых на сегодняшний день типов электрических моторов большое распространение получили асинхронные двигатели. Их мощность и эффективность обеспечивает использование в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, в насосных агрегатах, на фабриках, в станках и ручном электрическом инструменте.

Асинхронный двигатель: что это

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина, применяемая для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронный дословно означает неодновременный – здесь имеется в виду, что у асинхронного двигателя магнитное поле всегда имеет большую частоту вращения, чем ротор, который словно пытается его догнать. Работают эти машины от сетей с переменным током.

Любой асинхронный двигатель состоит из двух ключевых составляющих: ротора и статора. Эти части не контактируют между собой и отделены друг от друга воздушным зазором, в котором формируется подвижное магнитное поле.

Статор асинхронной машины состоит из следующих частей:

Конструкция ротора состоит из основного блока с вентиляционной крыльчаткой, опирающегося на подшипники. Связь ротора с приводимым в движение механизмом обеспечивается с помощью прямого подключения, редукторов или других способов передачи механической энергии. В асинхронных двигателях используются два вида роторов:

Рекомендуем посмотреть это видео. Оно хоть и старое, но интересное и познавательное. Позволит закрыть непонятные моменты.

Трехфазный асинхронный двигатель. Принцип работы

Принцип действия асинхронного двигателя заключается во взаимном расположении обмоток и трехфазном напряжении, что приводит к возникновению вращающегося магнитного поля, которое и выступает движущей силой.

Подробнее говоря, при подаче питания на первичную обмотку, на фазах образуются три магнитных потока, изменяющихся в зависимости от частоты входного напряжения. Они смещены между собой не только в пространстве, но и во времени, благодаря чему и появляется вращающийся магнитный поток.

Во время вращения результирующий поток создает ЭДС в роторных проводниках. По причине того, что обмотка ротора представляет собой замкнутую цепь, в ней создается ток, создающий пусковой момент в направлении вращения магнитного поля статора. Это приводит к вращению ротора после превышения пусковым моментом его тормозного момента. Наблюдаемое в этот момент явление называется скольжением — величиной, показывающей в виде процентов соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора.

(n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора)

Скольжение является очень важным параметром. На старте его величина всегда равна 1 и, естественно, становится меньше по мере увеличения разности между n1 и n2, что сопровождается также уменьшением электродвижущей силы и вращающего момента. Во время работы на холостом ходу скольжение минимально и растет по мере увеличения статического момента. Достигнув критического скольжения (обозначается как sкр), может спровоцировать опрокидывание двигателя. После уравновешивания тормозного и электромагнитного момента изменения величин прекращаются.

Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основывается на взаимодействии магнитного поля ротора, находящегося во вращении, и токов, наведенных в роторе этим же полем. При этом обязательным условием возникновения вращающего момента является разница частот вращения полей.

Однофазный асинхронный двигатель

Фактически, любой асинхронный электродвигатель является трехфазным и предусматривает подключение к трехфазной сети с напряжением 380 В. Однофазным или двухфазным его называют при подключении к однофазной электросети с напряжением 200 В, когда питание подается лишь на две обмотки. В такой схеме на основную рабочую обмотку подается чистая фаза от сети, а на другую питание идет через фазосдвигающий элемент, как правило, конденсатор. Такая схема позволяет создать необходимую индукцию для смещения ротора и запустить асинхронный двигатель от однофазной сети. Для дальнейшей его работы даже необязательно, чтобы пусковая обмотка (которую подключают через конденсатор) оставалась под напряжением.

Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель продолжает функционировать (под малой нагрузкой) даже если во время работы от него отключить подачу энергии по одному из питающих проводов, сымитировав таким образом работу от однофазной сети. Это обусловлено тем, что результирующее магнитное поле сохраняет вращение.

Двухфазный асинхронный двигатель

Создать вращающееся магнитное поле можно и при использовании двухфазных обмоток. Для обеспечения работоспособности схемы фазы обмоток необходимо расположить с 90˚ смещением друг от друга. При их питании токами, которые смещены по фазе на 90˚, возникает вращающееся магнитное поле, как и в трехфазной машине.

Асинхронный двухфазный электродвигатель приводится в движение за счет токов, образуемых при взаимодействии результирующего поля с роторными стержнями. Он ускоряется до того момента, пока не будет достигнута предельная скорость его вращения. Для питания такого двигателя от электросети однофазного тока необходимо создать сдвиг по фазе на одной из обмоток. Для этого применяются конденсаторы необходимой ёмкости.

На сегодняшний день все большее применение находят двухфазные асинхронных двигатели с полым алюминиевым ротором. Вращение ему придают вихревые токи, образованные внутри цилиндра, при взаимодействии с вращающимся магнитным полем.

Инерционный момент ротора наделяет двигатель хорошими характеристиками для использования в некоторых специализированных отраслях, как, например, системы, регулирующие работу мостовых и компенсационных схем. Одна из обмоток в них подключается к питающей сети через конденсатор, а через вторую проходит управляющее напряжение.

Схемы подключения

Для того чтобы подключить трехфазный асинхронный двигатель используют несколько различных схем, но чаще всего применяются «треугольник» и «звезда».

Треугольник

Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).

В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.

Звезда

Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.

Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.

Возможность подключения двигателя тем или иным способом, как правило, указывается на его табличке. Значок Y означает «звезду», а ∆ — «треугольник». Определить схему на уже подключенной машине можно по виду обмоток – одна двойная перемычка между ними говорит, что использована «звезда» (первое фото снизу), а если между клеммами обмоток видно три перемычки – «треугольник» (первое фото сверху).

В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.

Функциональные и эксплуатационные особенности

Характерные преимущества асинхронных двигателей:

Среди недостатков можно отметить:

Как производятся расчеты

Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:

И выразить из нее скорость вращения ротора:

В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.

При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:

Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:

И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.

Источник

ДВУХФАЗНЫЕ И ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Применяются два способа создания в двигателях, подключаемых к одной фазе сети, начального пуско­вого момента, в соответствии с чем эти двигатели де­лятся на двухфазные и однофазные.

Двухфазные асинхронные двигатели. Двухфазные двигатели помимо обмотки, включаемой непосредст­венно на напряжение сети, снабжаются второй об­моткой, соединяемой последовательно с тем или дру­гим фазосмещающим устройством (конденсатором, ка­тушкой индуктивности). Наиболее выгодным из них яв­ляется конденсатор (рис. 14.34), а соответствующие двигатели именуются конденсаторными. В пазах стато­ра подобных двигателей размещаются две фазные обмотки, каждая из которых за­нимает половину всех пазов. Таким путем осуществляется условие получения вра­щающего момента посредством индукционного механизма (см. § 12.9): наличие двух переменных магнитных потоков, смещенных в пространстве и сдвинутых по фазе относительно друг друга.

Наиболее выгодным является круговое вращающееся магнитное поле. Оно может быть осуществлено в двухфазном двигателе. При этом, однако, приходится выбирать условия, при которых предпочтительнее получить круговое поле, а сле­довательно, и наибольший вращающий момент — при спуске двигателя или при но­минальной нагрузке.

Действительно, если токи в обмотках статора ₁ и ₂ имеют равные действующие значения и сдвинуты относительно друг друга по фазе на угол /2, то возбуждаемое ими магнитное поле имеет составляющие В_х и В_у, определяемые выражениями (14.2) и (14.3). Результирующее магнитное поле в этом случае представляет собой круговое вращающееся поле.

Если емкость конденсатора подобрана так, что круговое магнитно.: поле созда­ется при пуске двигателя, то при номинальной нагрузке изменение тока второй обмотки вызовет изменение падения напряжения на конденсаторе, а следовательно, и напря­жения на второй обмотке по значению и фазе. В результате вращающееся магнит­ное поле станет эллиптическим (при вращении поток будет пульсировать), что обусло­вит уменьшение вращающего момента.

Ценой усложнения установки — посредством отключения части конденсаторов при переходе от пусковых условий к рабочим (штрихпунктирные соединения на рис. 14.34) можно этот недостаток устранить. Это уменьшение емкости конденсаторов может выполняться автоматически центробежным выключателем,- срабатывающим, когда частота вращения двигателя достигает 75—80 % номинальной, или воздействием реле времени.

Двухфазные двигатели применяются в автоматиче­ских устройствах также в качестве управляемых двигате­лей: их частота вращения или вращающий момент регули­руется изменением действующего значения или фазы на­пряжения на одной из обмоток. Такие двигатели вместо обычного ротора с короткозамкнутой обмоткой снабжают­ся ротором в виде полого тонкостенного алюминиевого ци­линдра («стаканчика»), вращающегося в узком воздушном зазоре между статором и неподвижным центральным сер­дечником из листовой стали (внутренним статором). Это двигатели с полым ротором обладают ничтожной инер­цией, что практически очень важно при регулировании некоторых производственных процессов. На рис. 14.35 показан график зависимости частоты вращения такого двигателя от напряжения на управляющей обмотке.

Однофазные асинхронные двигатели не развивают начального пускового момента. Но если ротор однофазного двигателя раскрутить в любую сторону при помощи внеш­ней силы, то в дальнейшем этот ротор будет вращаться самостоятельно и может развивать значительный вращающий момент.

Сходные условия создаются у трехфазно­го двигателя при перегорании предохраните­ля в одной из фаз. В таких условиях од­нофазного питания трехфазный двигатель будет продолжать работать. Только во из­бежание перегрева двух обмоток, остающих­ся включенными, необходимо, чтобы на­грузка двигателя не превышала 50—60 % номинальной.

Работу однофазного двигателя можно объяснить на основании того, что перемен­ное магнитное поле можно рассматривать как результат наложения двух магнитных по­лей, вращающихся в противоположные стороны с постоянной угловой ско­ростью /р. Амплитудные значения магнитных потоков этих полей Ф_1т и Ф_IIm оди­наковы и равны половине амплитуды магнитного потока переменного поля машины:

Простое графическое построение (рис. 14.36) показывает, как в результате сло­жения двух одинаковых магнитных потоков Ф_1m и Ф_IIт, вращающихся в противо­положные стороны, получается магнитный поток, изменяющийся по синусоидаль­ному закону: Ф = Ф_т sin t.

В однофазном двигателе это положение справедливо, только пока ротор не­подвижен. Рассматривая в этих условиях переменное поле как складывающееся из двух вращающихся полей, можно заключить, что под действием обоих этих полей в обмотке ротора будут одинаковые токи. Токи ротора, взаимодействуя с вращающи­мися полями, создтют два одинаковых вращающихся момента, направленных в про­тивоположные стороны и уравновешивающих друг друга.

Это равенство двух моментов нарушается, если привести ротор во вращение в любом направлении. В этих условиях вращающий момент, создаваемый прямо вращающимся полем (короче, прямым полем), т. е. полем, вращающимся в ту же сто­рону, что и ротор, становится значительно больше момента, развиваемого обратно вращающимся полем (короче, обратным полем), благодаря чему ротор может не только самостоятельно вращаться, но и приводить во вращение какой-либо механизм.

Ослабление противодействующего момента при вращении ротора вызывается ослаблением обратного поля. Относительно этого поля, вращающегося против направления вращения ротора, скольжение ротора равно:

s_II= = = 2-s₁

где s_I — скольжение ротора по отношению к прямому полю.

Выражение (14.36) показывает, что частота токов, индуктируемых в роторе обратным полем, относительно высока — близка к удвоенной частоте сети. Для токов такой повышенной частоты индуктивное сопротивление ротора во много раз больше его активного сопротивления, вследствие чего токи, индуктируемые обратным полем, становятся почти чисто реактивными. Согласно рис. 14.21 поле этих токов оказы­вает сильное размагничивающее действие на поле, их ин актирующее, следовательно, на обратное поле двигателя. Благодаря этому при малых скольжениях s_l результи­рующее магнитное поле машины становится почти круговым вращающимся полем, а противодействующий момент обратного поля в этих условиях мал.

Рис. 14.36.

Для каждого из полей мы можем применить известные нам кривые зависимости момента от скольжения обычного трехфазного асинхронного двигателя и определить результирующий момент М как разность прямого M_I и обратного M_II моментов (рис. 14.37). Существенной особенностью однофазного двигателя является наличие небольшого отрицательного момента М₀ при синхронной частоте вращения ротора по отношению к прямому полю.

Возрастание скольжения s_I, при увеличении нагрузки вызывает у однофазного двигателя не только увеличение тока I₁ индуктируемого прямым полем, но и уве­личение тормозного момента обратного поля, вследствие чего работа однофазного дви­гателя значительно менее устойчива, чем трех­
фазного, а его максимальный момент сущест­венно меньше. Вследствие ряда дополните­льных потерь КПД однофазного двигателязначительно ниже, чем трехфазного.

Задача пуска в ход однофазного двига­теля решается посредством применения того или другого пускового устройства. Чаще всего это дополнительная обмотка, подоб­ная второй обмотке двухфазного двигателя, но отключаемая по окончании пуска, так как она рассчитывается лишь на кратковре­менную нагрузку током. Последовательно с этой обмоткой включается то или иное фазосмещающее устройство.

Асинхронные двигатели с расщепленны­ми полюсами. Пусковое устройство в одно­фазном асинхронном двигателе может оста­ваться включенным и при нормальной ра­боте двигателя. Это имеет место в асинхронных двигателях с расщепленными по­люсами. Такие двигатели можно рассматривать как промежуточные между однофаз­ными и двухфазными асинхронными двигателями (рис. 14.38). Этот двигатель снабжен короткозамкнутой обмоткой ш_к, которая охватывает часть явновыраженного полюса, на котором размещена главная (первичная) обмотка 1. Ток I₁ в обмотке 1, подключенной к сети, возбуждает магнитный поток Ф₁. Часть последнего, пронизы­вая обмотку w_K, индуктирует в ней ток I₂, значительно отстающий по фазе от I₁. Этот ток возбуждает второй магнитный поток двигателя. Таким образом, в двигателе создается система двух переменных магнитных потоков, не совмещенных простран­ственно и сдвинутых по фазе, т. е. создаются условия, подобные условиям в индук­ционных электроизмерительных приборах (см. рис. 12.23), следовательно, возникает вращающееся магнитное поле, которое, воздействуя на короткозамкнутый ротор 2, создает соответствующий вращающий момент. Эти двигатели изготовляются миниа­тюрными (мощностью 0,5—30 Вт) и широко применяются для самых различных целей — главным образом, в качестве привода исполнительных механизмов.

Источник

На какой угол в пространстве смещены оси обмотки в двухфазном асинхронном двигателе

Под ред. И.А. Глебова

Электротехника является важнейшей отраслью науки и техники. Электротехническая продукция широко используется в промышленности и сельском хозяйстве, на транспорте, в медицине и бытовой технике. Изучение и использование электрических и магнитных явлений, передач электроэнергии, электрических машин, аппаратов и устройств, электрического освещения, силовой электроники, электротермии, электрохимии происходило на протяжении более двух столетий и связано с деятельностью многих поколений выдающихся ученых, которая сопровождалась развитием теории, многочисленными открытиями, изобретениями и созданием все более совершенных электротехнологий.

Пионером идеи о связи электрических и магнитных явлений был русский ученый Ф.У. Эпинус (1758 г.). К первым работам в области электрического разряда относятся исследования М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана. Они были развиты В.В. Петровым, которому принадлежит открытие электрической дуги (1802 г.), практическая реализация которой была осуществлена П.Н. Яблочковым в изобретенной им электрической свече (1878 г.). Им же был изобретен трансформатор (1877 г.). В дальнейшем электрическую дугу для электросварки применил Н.Н. Бернадос (1882 г.) и Н.Г. Славянов (1891 г.). Почти сразу же после открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции (1831 г.) академик Б.С. Якоби разработал и создал электродвигатель постоянного тока (1834 г.). В последующие десятилетия изобретения и разработки ученых Западной Европы в области машин постоянного тока приблизили их конструкцию к современной. Э.Х. Ленц (Россия) и независимо от него Д.П. Джоуль (Англия) установили закон теплового действия электрического тока (1833 и 1835 гг.). Он был использован в лампах накаливания А.Н. Лодыгиным (1873 г.). Особенно важно отметить исключительное значение работ М.О. Доливо-Добровольского — создателя систем трехфазного тока, трехфазных двигателей и трансформаторов. Ему же принадлежит идея создания трехфазной линии электропередачи протяженностью 175 км (1891 г.). Важное значение для развития электротехники в России имела организация в 1880 г. по инициативе известного русского электротехника В.Н. Чиколева журнала «Электричество». Большое значение для развития электротехники в России имела также организация в 1879 г. электротехнического отдела Русского технического общества.

Таким образом русским ученым удалось внести большой творческий вклад уже в начальную стадию развития электротехники. Работы этого времени в нашей стране и за рубежом получили достаточно полное освещение в настоящей книге.

По мере накопления и углубления знаний в области электротехники появилась необходимость их практической реализации. Создание и развитие электротехнических производств требовало со своей стороны новых идей, конструкций и производственных процессов. Все это привело к увеличению количества электротехнических заводов, особенно в конце предыдущего и начале текущего столетия. Это прежде всего относится к Западной Европе и США. В России, как слаборазвитой в промышленном отношении стране, создавались главным образом филиалы западно-европейских фирм. Положение коренным образом изменилось, когда в 1921 г. был принят план Государственной электрификации России (ГОЭЛРО). В его составлении участвовали видные электротехники страны: К.А. Круг, М.А. Шателен, А.А. Горев, B.C. Кулебакин, А.Н. Ларионов, А.А. Глазунов и др. Все работы велись под руководством Г.М. Кржижановского.

Основная идея плана состояла в индустриализации страны на базе электрификации. Предусматривалось строительство 30 электростанций. Особое внимание уделялось повышению производительности труда на базе новой техники. План был рассчитан на 10–15 лет. Для исключения зависимости нашей страны от иностранных государств была взята ориентация на развитие собственной электротехнической промышленности, как важнейшей технической базы электрификации. Опорными предприятиями стали заводы «Электросила», Московский электрозавод «Динамо» и др. В 1921 г. был образован научный и экспериментальный центр отечественной электротехники — Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ). Институт положил начало широкому развитию фундаментальных и прикладных исследований в области высоковольтной техники, электрической изоляции, светотехники, электромеханики. Таким образом наряду с научной работой в высших учебных заведениях получила развитие отраслевая научная деятельность. Были также созданы научно-исследовательские институты по классам электротехнических изделий и оборудования.

Дальнейшее развитие электротехники в предвоенные и послевоенные годы привело к образованию крупной экономической структуры — Министерства электротехнической промышленности.

Аналогичное укрупнение экономических структур произошло в странах Западной Европы, США, Японии и др. В качестве примера можно привести американскую фирму «Дженерал Электрик», с которой у нас было тесное научно-техническое и производственное сотрудничество, начиная со времени строительства Днепрогэса. Небольшое предприятие, организованное Т.А. Эдисоном, превратилось в крупнейшую фирму мира со своей сетью заводов, исследовательских институтов и лабораторий.

В трудных экономических условиях, переживаемых Россией в настоящее время, для подъема промышленного производства и выпуска конкурентоспособной продукции на внутреннем и внешнем рынках необходимо развитие существующих и создание новых крупных экономических структур с научно-исследовательскими институтами и проектно-конструкторскими организациями, а также коренное улучшение научной деятельности в институтах Российской академии наук и крупнейших высших учебных заведениях России. Особое значение приобретает проблема подготовки инженерных и научных кадров.

Бурное развитие электротехники в XX в. обусловлено творческой деятельностью очень большого числа специалистов. Тем не менее следует выделить среди них тех, кто внес решающий вклад в создание и развитие теории, разработку методов расчета и проектирования, новые виды производственных процессов и инженерную деятельность непосредственно на производстве.

Авторами данной книги дано последовательное изложение истории создания новых видов электротехнических изделий в мире на протяжении почти двух столетий и особенно в последнюю половину текущего столетия в связи с быстрым развитием электротехники в это время. Наряду с этим показаны конкретные творческие достижения выдающихся ученых, инженеров и специалистов производства во всем мире и особенно в России.

Краткие сведения о наиболее крупных отечественных и зарубежных ученых и специалистах в области электротехники,из числа упомянутых в книге, приведены в главе 13 «Персоналии».

Основные идеи и положения книги были предложены президиумом Академии электротехнических наук Российской Федерации (АЭН РФ) и одобрены редакционной коллегией, в которую входят выдающиеся ученые нашей страны, члены РАН и АЭН РФ, в том числе известный ученый-энергетик член-корреспондент РАН А.Ф. Дьяков. Без спонсорской поддержки РАО «ЕЭС России» издание настоящей книги было бы невозможно. В связи с этим авторы книги выражают глубокую признательность руководству РАО «ЕЭС России» за оказанную помощь.

Академия электротехнических наук планирует в дальнейшем издание электротехнической энциклопедии.

Глава 1 — Я.А. Шнейберг

Глава 2 — О.Н. Веселовский, Я.А. Шнейберг

Глава 3 — О.Н. Веселовский, Я.А. Шнейберг

Глава 4 — К.С. Демирчян, В.Г. Миронов

Глава 5 — В.А. Баринов, И.М. Бортник, В.П. Васин, А.А. Глазунов, А.Ф. Дьяков, В.Д. Ковалев, В.В. Кривенков, И.П. Кужекин, В.П. Ларионов, А.К. Лоханин, РА. Лытаев, Б.К. Максимов, А.К. Михайлов, Н.И. Овчаренко, Ю.П. Рыжов, В.А. Семенов, В.А. Старшинов, Н.Н. Тиходеев, В.В. Худяков, В.В. Шматович

Источник