Асинхронный двигатель — это электрическая машина переменного тока, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Асинхронный двигатель широко используется в различных приложениях от основных бытовых приборов до тяжелой промышленности. У машины так много применений, что трудно сосчитать, и вы можете представить себе масштаб, зная, что почти 30% электроэнергии, вырабатываемой в мире, потребляется этими асинхронными двигателями. Эта удивительная машина была изобретена великим ученым Николой Теслой, и это изобретение навсегда изменило ход человеческой цивилизации.

Вот несколько примеров применения однофазных и трехфазных асинхронных двигателей, которые мы можем встретить в повседневной жизни.

Применение однофазных асинхронных двигателей:

• Электрические вентиляторы в доме
• Сверлильные машины
• Насосы
• Измельчители
• Игрушки
• Пылесос
• Вытяжные вентиляторы
• Компрессоры и электробритвы

Применение трехфазных асинхронных двигателей:

• Малые, средние и крупные предприятия.
• Лифты
• Краны
• Управление токарными станками
• Маслоэкстракционные заводы
• Роботизированные руки
• Система ленточных конвейеров
• Тяжелые дробилки

Асинхронные двигатели бывают разных размеров и форм, имеющих соответствующие характеристики и электрические номиналы. Они варьируются от нескольких сантиметров до нескольких метров в размере и имеют номинальную мощность от 0,5 л. с. до 10000 л. с. Пользователь может выбрать наиболее подходящую модель из множества моделей, чтобы удовлетворить свои потребности.

Мы уже обсуждали основы двигателей и их работу в предыдущей статье. Здесь мы подробно рассмотрим конструкцию и работу асинхронного двигателя.

Принцип работы асинхронного двигателя

Для понимания принципа работы асинхронного двигателя рассмотрим сначала простую установку, показанную на следующем рисунке.

Здесь,

• Берутся два железных или ферритовых сердечника одинакового размера и подвешиваются в воздухе на некотором расстоянии.
• На верхний сердечник наматывается эмалированная медная проволока, затем такая же наматывается на нижний сердечник, а два конца выводятся в одну сторону, как показано на рисунке.
• Сердечник здесь выполняет функцию среды для переноса и концентрации магнитного потока, создаваемого катушкой во время работы.

Теперь, если мы подключим источник переменного напряжения к двум концам медного провода, то получим что-то вроде этого.

Во время положительного цикла переменного тока: 

Здесь в течение первого полупериода положительное напряжение в точке «А» постепенно увеличивается от нуля до максимума, а затем снова возвращается к нулю. В течение этого периода ток в обмотке можно представить следующим образом.

Здесь,

• Во время положительного цикла источника переменного тока ток в обеих обмотках постепенно увеличивается от нуля до максимума, а затем постепенно возвращается от максимума к нулю. Это происходит потому, что согласно закону Ома ток в проводнике прямо пропорционален напряжению на клеммах, и мы много раз обсуждали это в предыдущих статьях.
• Обмотки намотаны таким образом, что ток в обеих обмотках течет в одном направлении, что мы и видим на схеме.

Теперь давайте вспомним закон, называемый законом Ленца, который мы изучали ранее, прежде чем двигаться дальше. Согласно закону Ленца, «проводник, несущий ток, будет создавать магнитное поле, заполненное вокруг его поверхности»,

и если мы применим этот закон в приведенном выше примере, то магнитное поле будет генерироваться каждым контуром в обеих катушках. Если мы добавим магнитный поток, генерируемый всей катушкой, то он получит значительную величину. Весь этот поток появится на железном сердечнике, поскольку катушка была намотана на корпус сердечника.

Для удобства, если мы нарисуем линии магнитного потока, сосредоточенные на железном сердечнике с обоих концов, то получим что-то вроде этого.

Здесь вы можете видеть, как магнитные линии концентрируются на железных сердечниках и их движение через воздушный зазор.

Эта интенсивность потока прямо пропорциональна току, протекающему в катушках, намотанных на оба железных тела. Таким образом, во время положительного полупериода поток идет от нуля до максимума, а затем снижается от максимума до нуля. После завершения положительного цикла интенсивность поля в воздушном зазоре также достигает нуля, и после этого у нас будет отрицательный цикл.

Во время отрицательного цикла переменного тока: 

В течение этого отрицательного цикла синусоидального напряжения положительное напряжение в точке «B» будет постепенно увеличиваться от нуля до максимума, а затем снова возвращаться к нулю. Как обычно, из-за этого напряжения будет протекать ток, и мы можем видеть направление этого тока в обмотках на рисунке ниже.

Поскольку ток линейно пропорционален напряжению, его величина в обеих обмотках постепенно увеличивается от нуля до максимума, а затем уменьшается от максимума до нуля.

Если мы рассмотрим закон Ленца, то вокруг катушек возникнет магнитное поле из-за течения тока, аналогичное случаю, изученному в положительном цикле. Это поле будет концентрироваться в центре ферритовых сердечников, как показано на рисунке. Поскольку интенсивность потока прямо пропорциональна току, протекающему в катушках, намотанных на оба железных тела, этот поток также будет идти от нуля до максимума, а затем уменьшаться от максимума до нуля в соответствии с величиной тока. Хотя это похоже на положительный цикл, есть разница, и это направление линий магнитного поля. Вы можете наблюдать эту разницу в направлении потока на диаграммах.

После его отрицательного цикла следует положительный цикл, за которым следует еще один отрицательный цикл, и так продолжается до тех пор, пока не будет удалено синусоидальное напряжение переменного тока. И из-за этого чередующегося цикла напряжения магнитное поле в центре железных сердечников продолжает меняться как по величине, так и по направлению.

В заключение, используя эту настройку,

• Мы разработали область концентрации магнитного поля в центре железных сердечников.
• Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре постоянно меняется как по величине, так и по направлению.
• Поле имеет форму синусоидальной волны переменного напряжения.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Эта установка, которую мы обсуждали до сих пор, лучше всего подходит для реализации закона электромагнитной индукции Фарадея. Это потому, что постоянно меняющееся магнитное поле является самым основным и важным требованием для электромагнитной индукции.

Мы изучаем этот закон здесь, поскольку асинхронный двигатель работает по принципу закона электромагнитной индукции Фарадея.

Теперь для изучения явления электромагнитной индукции рассмотрим следующую установку.

• Берется проводник, которому придается квадратная форма, а оба его конца замыкаются накоротко.
• В центре квадрата проводника закреплен металлический стержень, который служит осью установки.
• Теперь проводниковый квадрат может свободно вращаться вдоль оси и называется ротором.
• Ротор размещается в центре воздушного зазора таким образом, чтобы на контур проводника воздействовало максимальное поле, создаваемое катушками ротора.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, «когда переменное магнитное поле пересекает металлический проводник, в проводнике индуцируется ЭДС или напряжение».

Теперь давайте применим этот закон, чтобы понять работу асинхронного двигателя:

• Согласно этому закону электромагнитной индукции, в роторном проводнике, расположенном в центре, должна индуцироваться ЭДС из-за изменяющегося магнитного поля, которое он испытывает.
• Из-за этой индуцированной ЭДС и короткого замыкания проводника во всем контуре начинает течь ток, как показано на рисунке.
• Вот ключ к работе асинхронного двигателя. Мы знаем, что согласно закону Ленца проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, напряженность которого пропорциональна величине тока.
• Поскольку закон универсален, то проводящий контур ротора также должен генерировать магнитное поле, поскольку через него протекает ток из-за электромагнитной индукции.
• Если мы назовем магнитное поле, создаваемое обмотками статора и железным сердечником, Главным потоком или Потоком статора, тогда мы можем назвать магнитное поле, создаваемое проводящим контуром ротора, Потоком ротора.
• Из-за взаимодействия между основным потоком и потоком ротора ротор испытывает силу. Эта сила пытается противостоять индукции ЭДС в роторе, регулируя положение ротора. Следовательно, в это время мы будем испытывать движение в положении вала.
• Теперь магнитное поле постоянно меняется из-за переменного напряжения, а сила также непрерывно и без остановок корректирует положение ротора.
• Таким образом, ротор продолжает вращаться под действием переменного напряжения, и таким образом мы имеем механический выход на валу или оси ротора.

При этом мы увидели, как из-за электромагнитной индукции в роторе мы имеем механический выход на валу. Поэтому название, данное этой установке, называется Асинхронный двигатель.

До сих пор мы обсуждали принцип работы асинхронного двигателя, но помните, что теория и практика различны. И для работы асинхронного двигателя необходима дополнительная настройка, которую мы обсудим ниже.

Однофазный асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель, работающий от однофазного переменного тока, называется однофазным асинхронным двигателем.

Линия электропитания, доступная нам дома, представляет собой однофазную линию переменного тока напряжением 240 В/50 Гц, а асинхронные двигатели, которые мы используем в повседневной жизни у себя дома, называются однофазными асинхронными двигателями.

Для лучшего понимания принципа работы однофазного асинхронного двигателя давайте рассмотрим конструкцию однофазного асинхронного двигателя.

Здесь,

• Мы возьмем несколько проводников и закрепим их на свободно вращающемся валу, как показано на рисунке.
• Также мы закоротим концы всех проводников металлическим кольцом, тем самым создав петли из нескольких проводников, которые мы изучали ранее.
• Эта роторная установка выглядит как беличья клетка при более близком рассмотрении, и поэтому она называется асинхронным двигателем с беличьей клеткой. Давайте рассмотрим трехмерную структуру ротора с беличьей клеткой.

• Статор, который считался цельным железным куском, на самом деле представляет собой группу тонких железных листов, сложенных вместе. Они так плотно прижаты друг к другу, что между ними буквально не будет воздуха. Мы используем стопку железных листов вместо одного железного куска по той же причине, по которой мы используем прокатные железные листы в случае силового трансформатора, а именно для снижения потерь в железе. Используя метод штабелирования, мы значительно снизим потери мощности, сохранив производительность на прежнем уровне.

Работа этой установки аналогична установке, используемой при объяснении принципа работы асинхронного двигателя.

• Сначала мы подадим переменное напряжение, и благодаря этому напряжению ток будет протекать через обмотку статора, намотанную как на верхний, так и на нижний сегменты.
• Под действием тока на верхней и нижней обмотках создается магнитное поле.
• Основная масса железных листов действует как сердечник, переносящий магнитное поле, создаваемое катушками.
• Это переменное магнитное поле, создаваемое железным сердечником, концентрируется в центральном воздушном зазоре благодаря специальному конструктивному решению.
• Поскольку ротор помещен в этот воздушный зазор, то закороченные проводники, закрепленные на роторе, также испытывают воздействие этого переменного поля.
• Под действием поля в проводниках ротора индуцируется ток.
• Поскольку ток проходит через проводники ротора, вокруг ротора также будет создаваться магнитное поле.
• При взаимодействии между генерируемым магнитным полем ротора и магнитным полем статора на роторе возникает сила.
• Эта сила перемещает ротор вдоль оси и тем самым мы имеем вращательное движение.
• Поскольку напряжение представляет собой непрерывно изменяющееся синусоидальное напряжение, ротор также непрерывно вращается вдоль своей оси. Таким образом, мы будем иметь непрерывный механический выход для заданного однофазного входного напряжения.

Хотя мы предположили, что ротор будет вращаться автоматически после подачи питания на однофазный двигатель, это не так пскольку поле, создаваемое однофазным асинхронным двигателем, является переменным магнитным полем, а не вращающимся магнитным полем. Таким образом, при запуске двигателя ротор фиксируется в своем положении, поскольку сила, испытываемая им из-за нижней и верхней катушек, будет иметь одинаковую величину и противоположное направление. Таким образом, при запуске чистая сила, испытываемая ротором, равна нулю. Чтобы избежать этого, мы будем использовать вспомогательную обмотку для асинхронного двигателя, чтобы сделать его самозапускающимся двигателем. Эта вспомогательная обмотка обеспечит необходимое поле для того, чтобы заставить ротор двигаться при запуске. Примером для этого случая является электрический вентилятор, который мы видим в нашей повседневной жизни, который представляет собой конденсаторный пуск и управляет асинхронным двигателем со вспомогательной обмоткой, соединенной последовательно с конденсатором.

Трехфазный асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель, работающий на трехфазном переменном токе, называется трехфазным асинхронным двигателем. Обычно трехфазные асинхронные двигатели используются в промышленности и не подходят для домашнего применения.

Линия электропередачи, доступная для промышленности, представляет собой трехфазную четырехпроводную сеть переменного тока напряжением 400 В/50 Гц, а асинхронные двигатели, которые работают от этого источника питания в промышленности, называются трехфазными асинхронными двигателями.

Для лучшего понимания принципа работы трехфазного асинхронного двигателя давайте рассмотрим конструкцию трехфазного асинхронного двигателя.

Здесь,

• Обмотка фазы А начинается с верхнего сегмента, за которым следует нижний сегмент, как показано на рисунке.
• Что касается двух концов фазы, обмотка А подключена к линии питания фазы А трехфазного источника питания, а другой конец подключен к нейтрали того же трехфазного четырехлинейного источника питания. Это возможно, потому что в трехфазном четырехлинейном источнике питания у нас есть первые три линии, несущие три линейных напряжения, в то время как четвертая линия является нейтральной.
• Остальные двухфазные обмотки следуют той же схеме, что и фаза A. Из двух концов обмотки фазы B один подключен к линии питания фазы B трехфазного источника питания, а другой конец подключен к нейтрали того же трехфазного четырехлинейного источника питания.
• Конструкция ротора похожа на беличью клетку и представляет собой тот же тип ротора, который используется в однофазном асинхронном двигателе.

Теперь, если мы подадим электроэнергию на трехфазные обмотки статора, то ток начнет течь во всех трех обмотках. Из-за этого тока катушки будут генерировать магнитное поле, и это поле будет течь по пути с меньшим магнитным сопротивлением, обеспечиваемому ламинированным сердечником. Здесь структура двигателя спроектирована таким образом, что магнитное поле, переносимое сердечником, концентрируется на воздушном зазоре в центре, где расположен ротор. Таким образом, магнитное поле, сосредоточенное сердечником в центральном зазоре, влияет на проводники в роторе, тем самым индуцируя в них ток.

При наличии тока в проводнике ротор также генерирует магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора в любой момент времени. И благодаря этому взаимодействию ротор испытывает силу, которая приводит к вращению двигателя.

Здесь магнитное поле, создаваемое статором, имеет вращающийся тип из-за трехфазного питания, в отличие от переменного типа, который мы обсуждали в однофазном двигателе. И из-за этого вращающегося магнитного поля ротор начинает вращаться сам по себе даже при отсутствии начального толчка. Это делает трехфазный двигатель самозапускающимся, и нам не нужна никакая вспомогательная обмотка для этого типа двигателя.

58 просмотров