Асинхронный двигатель — что это такое, как устроен и где используется?
Сегодня есть множество типов электрических двигателей: коллекторные двигатели постоянного тока и универсальные, двигатели переменного тока синхронные и асинхронные, бесщеточные двигатели постоянного тока и синхронные двигатели с постоянными магнитами, шаговые двигатели и сервоприводы и т.д. Но самым распространенным на производстве был, есть и будет – асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. В этой статье мы поговорим о том, что это такое и в чем заключаются его особенности.
Зачем нужны асинхронные генераторы?
Если рассмотреть фото асинхронных генераторов, то легко заметить что с первого взгляда практически невозможно отличить их от обыкновенных двигателей.
Суть в том, что это практически одни и те же электрические машины используемые в другом направлении и имеющие разные схемы подключения. Поэтому достаточно просто переделать одну такую машину в другую.
Эта статья поможет разобраться в том как это осуществить на практике. В современном мире множество генераторов и большинство из них асинхронные. Так как значительным преимуществом таких электрических машин является их простота, надежность и легкость в наладке системы.
Определение и немного истории
Автором асинхронного двигателя считают Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, который в 1889 году получил патент на двигатель с ротором типа «Беличья клетка», а в 1890 году на двигатель с фазным ротором, которые без особых изменений в конструкции используются и сегодня. А первые исследования и наработки в этом направлении были проведены в 1888 Галилео Феррарисом и Николой Тесла независимо друг от друга.
Главным отличием разработки Доливо-Добровольского от разработок Теслы было использование трёхфазной, а не двухфазной конструкции статора. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. Там представили три трёхфазных асинхронных электродвигателя, самый мощный из которых был на 1.5 кВт. Конструкция этих машин оказалась настолько удачно, что не пережила весомых изменений до наших дней.
Определение асинхронной машины звучит следующим образом:
Асинхронной называется электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора.
Принцип работы
В любом электродвигателе ротор приводится во вращение в результате взаимодействия магнитных полей ротора и статора и работы силы Ампера. Для создания магнитного поля используются либо постоянные магниты, либо электромагниты — обмотки статора и ротора. Одну из обмоток (ротора или статора) называют обмоткой возбуждения, вторую обмотку называют обмоткой якоря. Асинхронный двигатель отличается от других типов электромашин тем, что у него нет выраженной обмотки возбуждения, отсюда возникает вопрос «если нет обмотки возбуждения, то как создаётся магнитное поле?», если опустить некоторые особенности, то ответ на этот вопрос достаточно простой — асинхронный двигатель почти как трансформатор.
Напряжение от сети подключают к обмоткам статора. В них протекает электрический ток, в результате чего возникает магнитное поле статора. Так как сеть трёхфазная, фазы токов и напряжений каждой из фаз сдвинуты друг относительно друга на 120˚. Сила тока изменяется по синусоидальному закону и ток протекает то в одной, то в другой обмотке. Из-за этого магнитное поле получается вращающимся, что наглядно иллюстрирует ЭТО ВИДЕО
Магнитное поле статора индуцирует ЭДС в обмотках ротора (хоть короткозамкнутого, хоть фазного, о конструкции и видах мы поговорим дальше). Так как обмотки ротора закорочены или подключены к сопротивлениям — в них начинает протекать электрический ток, из-за которого возникает еще одно магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем статора, приводит во вращение ротор.
Скорость вращения поля статора называют «синхронной», а скорость вращения ротора «асинхронной», из-за такой особенности этот тип электромашин и получил своё название. Ротор всегда немного отстает от поля статора, разность этих скоростей называют «скольжением». Скорость вращения (оборотов в минуту) поля статора зависит от частоты тока в питающей сети и числа его полюсов, если проще — от количества катушек в обмотке, и вычисляется по формуле:
где f – частота напряжения питающей сети, р – число пар
полюсов, 60 – секунд в минуте
Синхронная скорость двигателя с одной парой полюсов равна: 60*50/1=3000 оборотов в минуту. Но асинхронная скорость или скорость вращения ротора будет несколько ниже, как отмечалось ранее. Обычно она находится в районе 2700-2950 об/мин, а скольжение лежит в пределах 2-8% (зависит от типа электродвигателя, его мощности и нагрузки на валу). Скольжение измеряется в относительных величинах или в процентах, и рассчитывается по формуле:
где n1 — синхронная скорость вращения, n2 — скорость вращения ротора.
Конструкция
Конструкция асинхронного двигателя, пожалуй, самая простая среди его аналогов. Он состоит из ротора и статора. Зачастую на статоре расположена трёхфазная обмотка, исключение составляют двигатели, предназначенные для работы в однофазной сети с двухфазной обмоткой или с рабочей и пусковой обмоткой. Статор состоит из металлического корпуса и сердечника с обмотками (собственно их называют обмоткой статора).
Так как двигатель питается переменным током, возникает проблема, связанная с потерями на блуждающие токи (т.н. токи Фуко), для этого сердечник статора набирают из тонких пластин. Стальные пластины для предотвращения контакта друг с другом изолируются окалиной, скрепляются лаком. Ток, протекающий в обмотках статора, называют током статора.
Корпус статора закрывается с двух сторон подшипниковыми щитами, в них, соответственно, устанавливаются подшипники скольжения или качения, в зависимости от мощности и размеров машины. Подшипники закрываются крышками, это нужно для их смазки, обычно используют пластичную смазку, как литол, солидол и подобные.
Реже, в больших и мощных электрических машинах могут использоваться опорные подшипники скольжения с циркуляционной системой смазки (жидкостная смазка). В них маслонасос закачивает масло, в рабочем режиме ротор таких машин скользит по тонкой масляной плёнке, подобно тому, как это происходит во вкладышах на ДВС.
По конструкции корпуса и типу крепления различают двигатели на лампах или с фланцевым креплением, также бывают с комбинированным типом крепления — с лапами и фланцем.
В зависимости от типа двигателя вал из него может выходить как с одной, так и с обеих сторон. К нему присоединяется исполнительный механизм, для этого конец выполняется конической или цилиндрической формы или с проточкой для установки шпонки и соединения с исполнительным механизмом.
В большинстве электродвигателей используется принудительное воздушное охлаждения. Для этого на корпусе продольно располагаются рёбра, а на другом конце вала устанавливается крыльчатка вентилятора охлаждения. Во время работы двигателя она вращается и прогоняет воздух вдоль рёбер, забирая тепло от статора.
Короткозамкнутый и фазный ротор
Различают два типа асинхронных двигателей — с короткозамкнутым и с фазным ротором.
Короткозамкнутый ротор или ротор типа «Беличья клетка» представляет собой набор медных или алюминиевых стержней (2) соединенных (замкнутых) между собой кольцом (3). Стержни впаиваются или заливаются в сердечник (1). Беличьей клеткой его называют из-за внешней схожести, что вы и можете наблюдать в левой части следующей иллюстрации.
Фазный ротор отличается конструкцией, на нём расположена полноценная трёхфазная обмотка, зачастую её катушки соединены по схеме «звезды», то есть их концы соединяются в одной точке, а начала катушек соединяются с токопроводящими кольцами. С помощью щеточного узла образуется скользящий контакт с кольцами. Он, в свою очередь, состоит из щёток и щеткодержателей.
Фазный ротор используют для плавного пуска или регулировки момента на валу посредством изменения величины скольжения двигателя за счет изменения активного сопротивления обмотки ротора. Для этого к выводам щеток подсоединяется регулировочный реостат или набор мощных резисторов (для ступенчатой регулировки). Если сказать кратко, то в двигателе с фазным ротором на обмотку ротора не подают ток, как в синхронном двигателе, например, а, наоборот, к ним подключают сопротивления в качестве нагрузки.
Виды асинхронных машин
Самодельный генератор
Различные виды АГ могут отличаться по следующим рабочим характеристикам:
- Типом вращающейся части генерирующего устройства – его ротора;
- Количеством выходных или статорных обмоток в генераторе (числом рабочих фаз);
- Схемой включения катушек трехфазного генератора – треугольником или звездой, а также способом их размещения и укладки на полюсах статора (фото ниже);
Советуем изучить Оказание первой помощи при поражении электрическим током
Наличием или отсутствием отдельной обмотки возбуждения.
В соответствие с первым из этих признаков, все известные разновидности АГ оснащаются короткозамкнутым или фазным ротором. Первый из них изготавливается в виде цельной конструкции цилиндрической формы, состоящей из отдельных штырей с двумя замыкающими их кольцами (типа «беличье колесо»).
Фазный ротор, в отличие от своего короткозамкнутого аналога, имеет индуктивную обмотку из изолированного провода, обеспечивающую создание динамического электромагнитного поля. Из-за особенностей своей конструкции такой ротор имеет высокую стоимость изготовления и нуждается в специализированном обслуживании.
Выходные обмотки статора, как и весь генератор, могут быть однофазными или трехфазными, что определяется непосредственным назначением данного агрегата (когда требуется источник напряжения 220 или 380 Вольт). Относительно первого из этих исполнений всё достаточно ясно, а вот у трехфазной модификации АГ имеется ещё одна особенность, касающаяся электрической схемы включения обмоток.
Известно, что для формирования любой трехфазной питающей сети в электротехнике применяются два вида включения обмоток, смещённых в векторном представлении одна относительно другой на 120 градусов. Это:
Включение звездой, когда начала катушек соединены в одной точке, где формируется нулевая жила, а их концы расходятся по трём линиям питания (вместе с нулевым проводом их получается четыре, как это указано на фото ниже);
Подсоединение по схеме «треугольник», при котором конец одной катушки соединяется с началом второй и так далее до полного замыкания цепочки. Второй вариант включения используется в 3-х проводных линиях энергоснабжения, поскольку в этой схеме отсутствует нулевой провод.
В каждом изделии АГ подключение по той или иной схеме реализуется вполне конкретными способами, позволяющими поместить провода всех обмоток статора между полюсами его сердечника. Они наматываются таким образом, чтобы каждая секция фазных катушек A, B и C была сдвинута по окружности одна относительно другой точно на 120 градусов.
В заключение обзора генераторных устройств обратим внимание на возможность изготовления АГ из асинхронного двигателя. Подобная перспектива появляется, благодаря известному принципу обратимости действия электрических машин, согласно которому направление преобразования энергии может выбираться произвольно
Схема соединения обмоток статора
Так как в статоре односкоростного асинхронного двигателя расположено три обмотки, то для подключения к трёхфазной сети их необходимо как-то соединить. Как и в любой трёхфазной цепи различают две схемы соединения:
1. «Звезда». Концы обмоток соединяются вместе, напряжение подводится к их началам.
2. «Треугольник». Начало следующей обмотки соединяется с концом предыдущей.
Концы обмоток выводятся в клеммную коробку, которую еще называют «брно» или «борно» (мне не удалось найти правильного названия, а в словаре указаны оба варианта). В зависимости от типа и конструкции двигателя в «борно» может быть выведено 3 или 6 проводов. Если выведено 3 провода – то обмотки соединены «с завода» по определенной схеме, а если 6, то вы можете выбрать схему подключения исходя из напряжения питающей сети.
В зависимости от года производства и производителя электродвигателя могут применяться такие обозначения выводов обмоток, как приведены в таблице ниже.
Концы обмоток на клеммнике расположены таким образом, чтобы с помощью одного комплекта из трёх перемычек можно было соединить обмотки по нужной схеме. Для соединения по схеме звезды перемычки устанавливают в ряд на концы обмоток, а для треугольника – параллельно друг другу соединяя «верхние» и «нижние» клеммы. Для этого начала и концы обмоток смещены друг относительно друга, что вы увидите на следующей иллюстрации.
Порядок доработки обмоток
Прежде чем сделать генератор из асинхронного двигателя, следует разобраться с его статорными катушками, соединёнными между собой и включаемыми в питающую линию по определённой схеме.
Дополнительная информация. Для классического подключения асинхронных механизмов используются два типа включения статорных обмоток: по так называемой схеме «звезда» или «в треугольник».
В первом случае все три линейных катушки (А, В и С) с одной стороны объединяются в общий нулевой провод, в то время как вторые их концы подключаются к трём фазным линиям. При включении «треугольником» конец одной катушки соединяется с началом второй, а её конец, в свою очередь, – с началом третьей обмотки и так далее вплоть до замыкания цепочки.
В результате такого подключения образуется правильная геометрическая фигура, вершины которой соответствуют трём фазным проводам, а нулевой провод вообще отсутствует.
Из соображений простоты монтажа и безопасности эксплуатации в бытовых схемах обычно выбирается подключение типа «звезда», обеспечивающее возможность организации местного (повторного) защитного заземления.
При доработке двигателя следует снять крышку распределительной коробки и получить доступ к клеммам, на которые в нормальных условиях поступает трёхфазное питающее напряжение. В генераторном режиме к этим контактам следует подсоединить питающую линию с подключёнными к ней бытовыми трёхфазными потребителями.
Для организации однофазного питания (розеточных линий и цепей освещения, в частности) их нужно будет подключить одним концом к выбранному фазному контакту А, В или С, а другим – к общему нулевому проводу. Порядок подсоединения проводов к асинхронному двигателю приводится на следующем рисунке.
Схема разводки на распредкоробке
Важно! В случае нескольких линейных (однофазных) нагрузок необходимо распределить их по фазам таким образом, чтобы те были загружены более-менее равномерно. Таким образом, генератор своими руками, собранный из трёхфазного двигателя, будет нагружен на все питающие цепи, а конечные потребители получат полагающиеся им нормативные мощности
Таким образом, генератор своими руками, собранный из трёхфазного двигателя, будет нагружен на все питающие цепи, а конечные потребители получат полагающиеся им нормативные мощности.
Напряжение и схема подключения
Как отмечалось выше, схему соединения обмоток выбирают исходя из доступного линейного напряжения в трёхфазной сети. Наиболее распространенное напряжение в РФ это 380/220. Допустим, что у нас есть двигатель, шильдик которого выглядит, как показано на фотографии:
Здесь мы видим обозначение «треугольник/звезда» и напряжения «220/380В» — это значит, что если линейное напряжение в сети 380 – использовать «звезду», как зачастую и делают. Но если линейное напряжение в трёхфазной сети равно 220В, то нужно подключать этот двигатель по схеме «треугольник» (такое встречается и сегодня на старых предприятиях или отдельных участках электросети с напряжениями 220/127 вольт).
Также на эти цифры обращают внимание, когда двигатель подключают к однофазной сети, хоть через фазосдвигающий конденсатор, хоть через частотный преобразователь с однофазным входом и трёхфазным выходом, всегда выбирают ту схему обмоток, которая рассчитана на подключение к сети 220В.
Порой попадаются и старые электродвигатели, в которых обмотки рассчитаны на номинальные напряжения 127/220 и они не предназначены для прямого включения в трёхфазную электросеть с линейным напряжением 380В. Их можно подключать только к однофазной сети через конденсатор или частотник, как было отмечено выше, но в этом случае обмотки уже нужно соединять «звездой».
На предприятиях часто используются мощные электродвигатели, в которых наоборот, схема «треугольник» рассчитана на питание напряжением 380В, а звезда 660В (тогда на шильдике указывается 380/660). Такие двигатели, зачастую, используются, чтобы снизить пусковые токи при пуске, посредством переключения обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник», так как это дешевле, чем использовать частотник или устройства плавного пуска в этих же целях.
Обращайте внимание на то, что написано на шильдике. Неправильное подключение двигателя опасно его преждевременной смертью.
Устройство генератора
Данный генератор состоит из двух частей, одна из которых является неподвижной и называется статор и является основанием.
Подвижная часть называется ротором, он вращается внутри статора.
Статор и ротор изготавливают из специальной электротехнической стали, которая очень хорошо проводит магнитные потоки, образующиеся при их работе.
Асинхронные генераторы могут быть как трехфазными, так и однофазными. Это зависит от количества и типа соединения обмоток в статоре и роторе.
Токопроводящую часть роторов выполняют алюминия и электротехнической стали.
При начале вращения генератора двигателем внутреннего сгорания, расположенном на одной платформе вместе с генератором, образуется бегущее магнитное поле, которого впоследствии преобразуется в электрический ток.
Как сделать генератор своими руками
Инструкция как сделать асинхронный генератор достаточно проста. Для этого достаточно найти рабочий асинхронный электродвигатель.
Разобрав его необходимо убедиться в пригодности подшипников, находящихся на роторе и при необходимости их заменить. Далее на токарном станке уменьшается диаметр сердечника ротора на 2-3 мм.Кроме этого делаются восемь углублений для неодимовых магнитов. Клеем магниты и герметизируем ротор. Проводами подключить статарную обмотку к нагрузке генератора.
Солнечные коллекторы для отопления дома: преимущества, недостатки, мифы, правда и отзывы владельцев (130 фото + видео)Ветровые электростанции для дома — плюсы, минусы и обзор лучших современных моделей (105 фото)
Биогазовая установка своими руками — пошаговое описание производства, 130 фото и видео описание биогазовой установки
Принцип работы
Частота и мощность получаемого электрического тока на прямую зависят от скорости вращения генератора. Чем выше скорость вращения генератора, тем больше мощность и напряжение.
Если скорость падает, то понижаются и характеристики электрического тока. Поэтому на многих генераторах устанавливается автоматическое регулирование этих параметров, чтобы они не отразились на качестве выдаваемой энергии.
К недостаткам асинхронных генераторов можно отнести тот факт, что они сами являются потребителями реактивной мощности, и вследствие перегрузки при запуске в статорной обмотке будут протекать значительные токи, которые могут привести к выходу обмотки из строя. Для ликвидации данного дефекта конструкции используются конденсаторы.
Возможность управления
Инверторный генератор или обычный: что лучше
Ещё одной особенностью синхронного генератора (как, впрочем, и асинхронного) является то, что частота и амплитуда наводимой на зажимах статора ЭДС существенно зависит от скорости вращения ротора.
Важно! С изменением подключённой к генератору активной нагрузки пропорционально ей меняется и частота вращения вала генератора, что приводит к изменению характеристик создаваемой в статоре ЭДС. Указанный недостаток вынуждает устанавливать в устройствах синхронного и асинхронного типа электронный регулятор напряжения и частоты, обеспечивающий поддержание этих параметров на должном уровне (схема регулятора приводится ниже)
Советуем изучить Правила электробезопасности
Указанный недостаток вынуждает устанавливать в устройствах синхронного и асинхронного типа электронный регулятор напряжения и частоты, обеспечивающий поддержание этих параметров на должном уровне (схема регулятора приводится ниже).
Поскольку асинхронный генератор работает по принципу рассогласованного вращения полей подвижной и неподвижной части, обеспечить регулирование выходных параметров внутри системы не удаётся. Это объясняется невозможностью организовать мгновенную обратную связь по напряжению путём подачи части выходного сигнала со статора на ротор (в АГ могут применяться лишь внешние стабилизаторы напряжения).
В этом заключается ещё одно отличие асинхронных агрегатов от их синхронных аналогов, которые по всем остальным характеристикам очень схожи с первыми.
Применение
Асинхронные генераторы рекомендуется использовать, если к параметрам напряжения не применяются высокие требования, генератор работает в плохой окружающей обстановке (например, повышенная запыленность), не возможно качественно обслуживать генератор при эксплуатации, а также если существует возможность перегрузок и аварийных режимов работы.
Принцип работы генератора заключается в постоянном нахождении в режиме торможения с ротором, который вращается с опережением, но все-таки в той же ориентации, что и магнитное поле у статора.
В зависимости от используемого типа обмотки ротор может быть фазным или короткозамкнутым.
Созданное при помощи вспомогательной обмотки вращающееся магнитное поле начинает индуцировать его на роторе, которое и вращается вместе с ним.
Частота и напряжение на выходе напрямую зависит от количества оборотов, так как магнитное поле не регулируется и остается неизменным.
Типы асинхронных генераторов
Источник
Режимы работы
Чтобы разобраться в особенностях функционирования автомобильного генератора, важно понять особенности каждого из режимов:
- В процессе пуска двигателя главным потребителем электрической энергии выступает стартер. Особенностью режима является создание повышенной нагрузки, что приводит к уменьшению напряжения на выходе АКБ. Как следствие, потребители берут ток только с аккумулятора. Вот почему при таком режиме батарея разряжается с наибольшей активностью.
- После завода двигателя автомобильный генератор переходит в режим источника питания. С этого момента устройство дает ток, который необходим для питания нагрузки в автомобиле и подзаряда АКБ. Как только аккумулятор набирает требуемую емкость, уровень зарядного тока снижается. При этом генератор продолжает играть роль главного источника питания.
- После подключения мощной нагрузки, например, кондиционера, обогрева салона и прочих, скорость вращения ротора замедляется. В этом случае автомобильный генератор уже не способен покрыть потребности автомобиля в токе. Часть нагрузки перекладывается на АКБ, который работает в параллель с источником питания и начинает постепенно разряжаться.
Советуем изучить Паяльник своими руками
https://youtube.com/watch?v=feRhd7xg6R0
Устройство генератора тока
Приветствую всех на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об устройстве генератора тока. Попробуем максимально охватить данную тему и рассмотреть устройство генераторов постоянного и переменного токов.
На самом деле, не совсем верно называть это устройство генератором именно переменного или постоянного тока, поскольку, ток возникает только в замкнутом контуре. В общем, в обмотках генератора возникает ЭДС, а не ток. Ток начинает протекать только тогда, когда к обмоткам подключается какой-либо потребитель. Однако, в этой статье мы будем пользоваться устоявшимися понятиями.
Какие бы ни были электрические генераторы основной их принцип – выработка электрической энергии за счёт вращения обмотки в магнитном поле. Это значит, что можно выделить два схематических вида генераторов: либо мы вращаем магнитное поле в неподвижном проводнике, либо вращаем проводник в неподвижном магнитном поле.
Содержание:
Схема генератора из асинхронного двигателя
схема генератора на базе асинхронного двигателя
В фактически любой машине электрического типа, сконструированной по типу генератора, имеются 2 разные активные обмотки, без которых невозможно функционирование устройства:
- Обмотка возбуждения, которая находится на специальном якоре.
- Статорная обмотка, которая отвечает за образование электрического тока, данный процесс происходит внутри нее.
Для того, чтобы наглядно представить и точнее понять все процессы, происходящие во время функционирования генератора, наиболее оптимальным вариантом будет подробнее рассмотреть схему его работы:
- Напряжение, которое подается от аккумулятора или любого иного источника, создает магнитное поле в якорной обмотке.
- Вращение элементов устройства вместе с магнитным полем можно реализовать разными способами, в том числе и вручную.
- Магнитное поле, вращающееся с определенной скоростью, порождает электромагнитную индукцию, благодаря чему в обмотке появляется электрический ток.
- Подавляющее большинство используемых на сегодняшний день схем не имеет возможностей для обеспечения якорной обмотки напряжением, это связано с наличием в конструкции короткозамкнутого ротора. Поэтому, вне зависимости от скорости и времени вращения вала, питающие клеммы устройства все равно будут обесточены.
При переделывании двигателя в генератор, самостоятельное создание движущегося магнитного поля является одним из основных и обязательных условий.
Устройство генератора переменного тока
Итак, относительно устройства генератора переменного тока и принципа его действия.
Наибольшее распространение получили генераторы переменного тока с неподвижным проводником. Обусловлено это тем, что ток возбуждения по отношению к току, который получают с генератора, небольшой. Если посмотрите на картинку, то увидите два кольца, по которым протекает ток обмотки возбуждения и это слабое звено любого генератора с обмоткой возбуждения. То есть, либо по кольцам через щётки мы подаем небольшой ток возбуждения, либо через кольца снимаем большой рабочий ток. В электричестве неподвижная часть генераторов или двигателей, на которой находится обмотка, называется статором. Подвижная часть может называться ротором или якорем.
Устройство генератора постоянного тока
Чтобы узнать, что такое генератор постоянного тока, устройство и принцип действия вернёмся немного назад. Мы уже выяснили, как работает генератор переменного тока. Давайте подробнее рассмотрим процесс возникновения ЭДС. Поскольку ротор вращается, у нас есть цикл равный одному обороту ротора или 360°. Давайте узнаем, что происходит в этом цикле:
- 0° — ЭДС =0
- 90° — ЭДС достигает максимального значения со знаком «+»
- 180° — ЭДС снова равна 0
- 270° — ЭДС достигает пикового значения со знаком «-»
