Разница между синхронным и асинхронным двигателем

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Как работает

Принцип работы устройства непосредственно связан с индукцией. Из-за того, что магнитные поля в отдельных частях устройства взаимодействуют, асинхронные электрические приводы начинают вращаться.

Поле возникает вокруг проводников или постоянных магнитов с помощью проходящего через эти элементы электрического тока. Подробнее рассмотрим работу элемента.

Особенности действия лучше объяснять на примере устройств с тремя фазами, поскольку они используются чаще других.

Обмотки в сердечниках располагаются следующим образом (хотя само по себе расположение можно считать условным):

1. Ток с тремя фазами протекает через обмотки, помогая созданию вращающегося магнитного поля. Фазы сдвигаются, благодаря чему ток может проходить по разным обмоткам. При этом в возникших магнитных полях полюса направляются по правилу правой руки. Они идут в ту сторону, согласно которой установлена определённая обмотка. На графике изменение положений и прохождение тока выглядит следующим образом:
2. В двигателях с двумя полюсами обмотки смещаются на сто двадцать градусов по сравнению с каждой идущей до неё обмоткой. Углы сдвигов фаз напряжения в сетях с переменным током при этом тоже меняются.

Магнитные поля статоров обладают синхронной скоростью вращения. Более наглядно увидеть принцип работы вращения можно в следующем видео.

При этом помните, что в двигателях с одной и двумя фазами вращение не происходит. Кроме того, они обладают не тремя, а всего двумя обмотками.

Если в двигателе установлен ротор с коротки замыканием, в стержне статоров появляется электродвижущая сила. Из-за замкнутости по части проходить электрический ток, влияющий на появление магнитного поля.

Из-за того, что сила тока и несколько полей взаимодействуют между собой, ротор начинает вращаться, следуя за вращением магнитного поля статора. Хотя от статора он всё же немного отстаёт, поэтому можно сказать, что он скорее скользит.

Скорость вращений магнитных полей считают синхронной скоростью. Получается, что ротор вращается уже асинхронно, из-за чего двигатель и назвать именно так.

Ротор на фазу работает примерно по тому же принципу. Главное отличие в том, что кольца фазного ротора соединены с реостатом. Реостат выходит из цепи в процессе работы устройства, благодаря чему обмотки могут замыкаться.

Благодаря этому двигатель запускается, пусковой ток значительно снижается благодаря повышению сопротивления в роторе.

Итак, можно прийти к следующим выводам:

• Благодаря току в обмотке двигателя появляются магнитные поля.
• Магнитные поля рождают токи в роторах.
• Благодаря токам в роторе магнитные поля образуются вокруг этого элемента двигателя.
• Статор вращается из-за своего поля.
• Это приводит к тому, что ротор тоже вращается, поскольку следует за магнитным полем статора.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.

Конструкция АДФР

Фазный ротор

Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в “звезду”, а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Фазный ротор

Статор АДФР

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР

Обозначение выводов обмоток ротора вновь разрабатываемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85

Обозначение выводов обмоток ротора ранее разработанных и модернизируемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85

Примечание: Контактные кольца роторов асинхронных двигателей обозначают так же, как присоединенные к ним выводы обмотки ротора, при этом расположение колец должно быть в порядке цифр, указанных в таблице, а кольцо 1 должно быть наиболее удаленным от обмотки ротора. Обозначение самих колец буквами необязательно.

Пуск АДФР

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.

Применяются проволочные и жидкостные реостаты.

Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.

Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов .

Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
ГОСТ 26772-85 Машины электрические вращающиеся. Обозначение выводов и направление вращения.
А.И.Вольдек. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. заведений. изд. 2-е, перераб. и доп.-Ленинград: Энергия, 1974.

Виды электродвигателей и их особенности

Экономичность и надежность оборудования напрямую зависят от электродвигателя, поэтому его выбор требует серьезного подхода.

Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.

Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.

При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.

• Электродвигатели постоянного токаИспользуются для создания регулируемых электроприводов с высокими динамическими и эксплуатационными показателями. К таким показателям относятся высокая равномерность вращения и перезагрузочная способность. Их используют для комплектации бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, для полимерного оборудования, буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов. Часто они применяются для оснащения всех видов электротранспорта.
• Электродвигатели переменного токаПользуются более высоким спросом, чем двигатели постоянного тока. Их часто используют в быту и в промышленности. Их производство намного дешевле, конструкция проще и надежнее, а эксплуатация достаточно проста. Практически вся домашняя бытовая техника оборудована электродвигателями переменного тока. Их используют в стиральных машинах, кухонных вытяжных устройствах и т.д. В крупной промышленности с их помощью приводится в движение станковое оборудование, лебедки для перемещения тяжелого груза, компрессоры, гидравлические и пневматические насосы и промышленные вентиляторы.
• Шаговые электродвигателиДействуют по принципу преобразования электрических импульсов в механическое перемещение дискретного характера. Большинство офисной и компьютерной техники оборудовано ими. Такие двигатели очень малы, но высокопродуктивны. Иногда и востребованы в отдельных отраслях промышленности.
• СерводвигателиОтносятся к двигателям постоянного тока. Они высокотехнологичны. Их работа осуществляется посредством использования отрицательной обратной связи. Такой двигатель отличается особой мощностью и способен развивать высокую скорость вращения вала, регулировка которого осуществляется с помощью компьютерного обеспечения. Такая функция делает его востребованным при оборудовании поточных линий и в современных промышленных станках.
• Линейные электродвигателиОбладают уникальной способностью прямолинейного перемещения ротора и статора относительно друг друга. Такие двигатели незаменимы для работы механизмов, действие которых основано на поступательном и возвратно-поступательном движении рабочих органов. Использование линейного электродвигателя способно повысить надежность и экономичность механизма благодаря тому, что значительно упрощает его деятельность и почти полностью исключает механическую передачу.
• Синхронные двигателиЯвляются разновидностью электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора равняется частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Их используют для компрессоров, крупных вентиляторов, насосов и генераторов постоянного тока, так как они работают с постоянной скоростью.
• Асинхронные двигателиТакже, относятся к категории электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора. Асинхронные двигатели разделяются на два типа, в зависимости от конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Конструкция статора в обоих видах одинакова, различие только в обмотке.

Электродвигатели незаменимы в современном мире. Благодаря им значительно облегчается работа людей. Их использование помогает снизить затрату человеческих сил и сделать повседневную жизнь намного комфортнее.

Управление

В этой части мы рассмотрим как новые и старые методы запуска, регулирования и останова электрических двигателей. Старые методы это примитивное кнопочное управление через магнитные пускатели. Новые методы это питание через софт стартеры и связку выпрямитель-инвертор. 

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Существует несколько способов регулирования частоты вращения ротора. Самые известные из них это введение активного сопротивления в схему ротора (способ описанный выше) и второй это частотное регулирование.

Для этого стандартное промышленное электропитание выпрямляется до постоянного напряжения 380* √2=536 вольт. Для сглаживания пульсаций служит расположенный посредине схемы конденсатор.

Но самое главное, далее выпрямленное напряжение, превращается в переменное напряжение управляемой частоты и амплитуды. Это происходит с помощью трехфазной схемы из шести транзисторов или тиристоров, каждый из которых отвечает за свою полуволну.

Подключение с помощью нереверсивной схемы

Рассмотрим подключение асинхронного двигателя к трехфазной сети. Вся схема делится на две основных части, это силовая часть, расположенная слева и линии управления, расположенные справа. Кроме того, силовая часть на чертеже прерывается тремя размыкателями.

Рассмотрим их сверху вниз. Первое устройство, с обозначением QF, это автоматический трехфазный выключатель. Второе устройство, с обозначением КМ, это силовые контакты магнитного пускателя. Третье устройство, с обозначением КК, это силовые контакты теплового реле.Поскольку во вспомогательной части имеются кнопки «Стоп» и «Пуск», при нажатии которых напряжение подается на катушку магнитного пускателя. Она подключает электродвигатель к сети трехфазного напряжения.

Более того, линия , после катушки магнитного пускателя может обрываться управляющим сигналом от теплового реле. Тепловое реле срабатывает при превышении допустимого тока через него.

Подключение с помощью реверсивной схемы

На рисунке отображена схема управления, позволяющая электродвигателю работать в двух разных направлениях. Эта схема меняет две фазы из трех между собой. По причине того, что сменяется последовательность направляющих усилий каждой фазы. Кроме того меняется суммарное направление вращение магнитного поля.

Управление реализовано с помощью двух контакторов, каждый из которых подключает к трехфазному питанию свою последовательность фаз.

Подписка на рассылку

Агрегат, преобразующий электрическую энергию в механическую, называется электродвигателем. Эти машины могут применяться в бытовой технике (маломощные асинхронные двигатели) и в промышленности (краны и лебедки общепромышленного значения и прочее).

На сегодняшний день именно этот тип электрических машин наиболее распространен. Объясняется это простотой эксплуатации, надежностью этих машин, небольшим весом и удачными габаритными размерами.

Электродвигатель с короткозамкнутым ротором используется в электроприводах разных станков (металлообрабатывающих, грузоподъемных, ткацких, деревообрабатывающих), в вентиляторах, землеройных машинах, в лифтах, насосах, бытовых приборах и т.д.

Электродвигатель асинхронный с короткозамкнутым ротором позволяет значительно снизить энергопотребление оборудованием, которое он питает, обеспечить высокий уровень его надежности, увеличить срок службы. Совокупность этих характеристик, как правило, сразу положительно отражается на модернизации всего производства.

Основные виды и некоторые характеристики электродвигателя асинхронного однофазного и трехфазного

Сегодня самыми востребованными в разных отраслях промышленности и любого производства являются следующие виды машин:

• общепромышленные — применяются на производстве и в агропромышленном секторе;
• взрывозащищенные — предназначены для использования в отраслях промышленности взрывоопасной: химическая, добыча нефти, газовая и угледобывающая промышленность;
• электродвигатели крановые, подходящие для работы в составе любых поворотных и крановых механизмов.

Источник

Асинхронные двигатели, особенности пуска

Асинхронные двигатели сегодня – это доля в 80% от всего количества разнообразных электродвигателей, выпускаемых мировой промышленностью. Все это – благодаря простоте конструкции, в эксплуатации и обслуживании, низкой себестоимости и высокой надежности. Но есть один существенный недостаток – из сети асинхронные двигатели потребляют реактивную составляющую мощности. Поэтому их предельная мощность напрямую зависит от мощности системы энергоснабжения. Кроме того, такой электропривод имеет значения пускового тока, которые в трое больше рабочих. При малой мощности системы энергоснабжения, это может вызвать значительное падение напряжение в сети и отключение других приборов. Асинхронные двигатели с фазным ротором, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов, могут запускаться с небольшим пусковым током.

Резисторы, стоящие в цепи ротора, помогают ограничить ток не только в течении запуска, но так же и при торможении, реверсе и при снижении скорости. По мере того, как двигатель набирает скорость – разгоняется, чтобы поддерживать необходимое ускорение, резисторы выводятся. При окончании разгона и выхода на паспортную частоту, все резисторы шунтируются, двигатель переходит на работу со своей естественной механической характеристикой.

Рассмотрим пример запуска асинхронного двигателя с фазным ротором.

   Рис. 3. Асинхронный двигатель с фазным ротором, схема запуска

Используя схему асинхронного двигателя (рис) рассмотрим запуск в две ступени который проводится с использованием релейно-контакторной аппаратуры. Одновременно напряжение подается как на силовые цепи, так и на управляющие – замыкается выключатель QF.

При подаче напряжения реле времени (обозначены КТ1 и КТ2) в цепи управления срабатывают, размыкая свои контакты. После нажатия кнопки запуска (SB1) срабатывает контактор КМ3 и запускается двигатель с резисторами, которые введены в цепь ротора – в этот момент на контакторах КМ1 и КМ2 питания нет. При подключении контактора КМЗ, из-за потери питания, в цепи контактора КМ1 реле КТ1 замыкает контакт через интервал времени, заданный задержкой времени в реле КТ1. По истечению времени (двигатель разгоняется, ток ротора начинает падать) происходит включение контактора КМ1 – происходит шунтирование первой пусковой ступени резисторов. Ток снова возрастает , но по мере разгона его значение начинает уменьшаться. Одновременно с этим в цепи происходит размыкание реле КТ2, оно теряет питание и с выставленной выдержкой происходит замыкание контакта в цепи контактора КМ2. Происходит шунтирование второй ступени резисторов, включенных в цепь ротора. Двигатель работает в штатном режиме.

Благодаря ограничению пускового тока, асинхронный двигатель с фазовым ротором можно устанавливать в слабых сетях.

Принцип действия [ править | править код ]

В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.

Ротор асинхронного двигателя может быть:

• короткозамкнутым;
• фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.

Якорь — это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте). По сути универсальный двигатель — это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.

Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трёхфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надёжнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно со вращающимся полем статора. Там, где нет трёхфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трёхфазного двигателя, пространственно смещённые на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.

На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трёхфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока f : n c = 60 f p =<60f>

>>

При частоте 50 Гц получаем для p = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля n c > = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

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.

Схема «звезда» и «треугольник»

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.

Варианты названия начала и концов обмоток L1, L2 и L3 – это обмотки трёх фаз соответственно

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.