Что такое асинхронный электродвигатель?

Что такое асинхронный электродвигатель?

Асинхронные асинхронные двигатели являются наиболее часто используемым типом электродвигателей в промышленности и автоматизации. По оценкам, в Украине более половины электроэнергии, производимой на электростанциях, потребляется асинхронными двигателями. К их преимуществам можно отнести, прежде всего, простую конструкцию, удобство эксплуатации и невысокую стоимость покупки и обслуживания. 

Асинхронные двигатели обладают хорошими эксплуатационными параметрами, а их характеристики можно изменять, изменяя источник питания и импеданс обмоток машины, что достигается подключением соответствующих элементов внешнего импеданса. Электронные полупроводниковые системы управления позволяют плавно запускать и тормозить асинхронные двигатели. Также легко регулировать мощность и скорость двигателя этого типа. К сожалению, у асинхронных двигателей есть и недостатки.

Асинхронные двигатели по способу питания можно разделить на однофазные, двухфазные и трехфазные, причем последние являются наиболее популярными в отрасли. Двух- или однофазное питание используется для двигателей меньшего размера. Еще одно важное деление - разделение по способу изготовления обмотки ротора. Эти двигатели затем делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и кольцевые двигатели. Здесь также можно выделить асинхронные, вращающиеся и линейные двигатели. Выбрать электродвигатель для своих нужд вы можете здесь.

Архитектура двигателя

Асинхронные двигатели устроены просто. С внутренней стороны сердечника статора и снаружи сердечника ротора имеются прорези (они могут иметь различную форму), в которые помещаются обмотки из изолированного медного обмоточного провода. Дополнительно обмотки должны быть изолированы от сердечника щелевой изоляцией. Между двумя соседними канавками всегда есть часть сердечника, называемая зубом. Сердечник статора, обычно сделанный из пакета тонких ферромагнитных листов, изолированных между собой, разделен на изолированные друг от друга секции, образующие фазные обмотки статора. Эти обмотки создают вращающееся магнитное поле.

В случае асинхронных двигателей обмотки ротора выполняются, как и в статоре, из обмоточного провода или из неизолированных медных, алюминиевых, латунных или бронзовых стержней с большим поперечным сечением, так что такой металлический стержень полностью заполняет канавку. . Части стержней, выступающие за пределы сердечника с обеих сторон, соединены с помощью укорачивателей. Это создает клетку, и двигатель называется клеткой. В производственной практике клетка чаще всего представляет собой монолитную конструкцию из алюминия, реже (из-за технологических трудностей) из меди. Клетку следует рассматривать как многофазную обмотку с количеством фаз, равным количеству стержней.

В случае ротора с обмоткой из проволоки к ротору можно прикрепить дополнительные элементы для увеличения сопротивления каждой фазы. Это делается с помощью специальных контактных колец на валу, с которым соединяется обмотка ротора. Такой двигатель называется кольцевой. Контактное кольцо соединено с внешней окружностью щетками, лежащими на нем. Количество колец зависит от количества фаз в подключенной цепи. Наиболее распространены конструкции с тремя или двумя кольцами. Двигатели с короткозамкнутым ротором дешевле кольцевых двигателей, но последние позволяют более широкий диапазон (в том числе до ротора) подключать пусковые и регулирующие устройства к системе.

Асинхронность

Как следует из названия, при нормальной работе скорость асинхронного двигателя ниже скорости вращения магнитного поля. Поэтому параметром, характерным для этой группы электрических машин, является так называемый промах (чаще всего обозначается символом s). Этот параметр определяет отношение скорости вращения магнитного поля по отношению к ротору к синхронной скорости. Когда ротор двигателя неподвижен, значение скольжения равно 1. Если ротор вращается с синхронной скоростью, скольжение равно 0. Это означает, что чем ниже значение скольжения, тем выше скорость вращения ротора.

Если скорость ротора больше нуля и меньше синхронной скорости, что соответствует значению скольжения в диапазоне от 0 до 1, тогда асинхронная машина работает как двигатель. Скорость асинхронной машины также может быть больше, чем синхронная скорость. Такая ситуация может возникнуть, когда асинхронный двигатель подключен, например, к паровой турбине. Тогда индукционная машина работает как генератор, и значение скольжения меньше нуля. Также можно использовать асинхронный двигатель в качестве тормоза (так называемая тормозная работа). Это тот случай, когда скорость ротора отрицательная, т.е. двигатель противодействует внешнему крутящему моменту. В этом случае индукционная машина играет роль электрического тормоза, а полученная механическая работа,

Стоит обратить внимание на то, что КПД асинхронных двигателей очень высок. В случае быстроходных быстроходных двигателей она достигает 98%. Двигатели средней мощности имеют коэффициент полезного действия 0,92, а КПД устройств меньшей мощности составляет около 79%.

Запуск и контроль

Наиболее важными параметрами, характеризующими запуск асинхронного двигателя, являются ток, продолжительность и пусковой момент. Асинхронный двигатель может быть запущен, когда крутящий момент, создаваемый двигателем, превышает момент нагрузки. Стоит отметить, что пусковой ток может быть в несколько раз выше номинального. Таким образом, существует риск теплового повреждения двигателя и даже возгорания, если время пуска достаточно велико для перегрева обмоток.

Динамический крутящий момент, который определяет разницу между крутящим моментом, создаваемым в двигателе, и крутящим моментом нагрузки, определяет продолжительность запуска. Другими словами, чем больше динамический крутящий момент, тем короче время запуска асинхронного двигателя. Тогда двигатель быстрее достигает равновесия.

В системах автоматизации и в промышленной практике прямой пуск асинхронных двигателей - запуск с номинальным напряжением, непосредственно подаваемым из сети, - применим только к двигателям малой мощности. В случае двигателей с большей мощностью используются дополнительные методы для улучшения условий запуска. Они предназначены для уменьшения пускового тока и увеличения пускового момента. Наиболее распространенными методами запуска являются: запуск путем изменения напряжения питания статора, включения дополнительного сопротивления в цепь статора или ротора и путем изменения частоты напряжения питания.

В первом случае напряжение изменяется переключателем звезда-треугольник, с помощью трансформатора или электронной системы управления. Переключение звезда-треугольник используется для легких пусков, когда двигатель нагружен небольшим тормозным моментом. При соединении звездой и ток, и пусковой момент в три раза меньше, чем те же параметры пуска при соединении треугольником. Пуск за счет включения дополнительного сопротивления в цепь статора используется спорадически из-за того, что помимо ограничения пускового тока также снижается пусковой момент. В настоящее время в системах автоматизации для запуска и управления асинхронными двигателями используются электронные или цифровые контроллеры, такие как все более популярные устройства плавного пуска.

Помимо методов пуска в случае асинхронных двигателей, также важны методы управления их частотой вращения. Скорость регулируется путем изменения частоты напряжения питания, количества пар магнитных полюсов, образующихся в роторе, и изменения скольжения. В системах автоматизации наиболее популярным методом регулирования скорости вращения асинхронных асинхронных двигателей является частотный метод. Современные инверторы, сохраняя свои небольшие размеры, легко регулируют частоту вращения двигателей мощностью порядка мегаватт.