Асинхронные двигатели — один из наиболее распространенных типов электродвигателей переменного тока, используемых в промышленности и быту.
Принцип действия асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, индуцируемых в роторе этим вращающимся полем. Вращающееся магнитное поле создается путем подачи на обмотки статора трехфазного тока. При этом частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля — отсюда и название «асинхронный».
Асинхронные двигатели широко используются в приводе различных механизмов благодаря простоте конструкции, надежности, неприхотливости в работе и сравнительно невысокой стоимости. Наиболее распространены асинхронные короткозамкнутые двигатели, однако выпускаются также двигатели с фазным ротором, обладающие рядом преимуществ.
Далее в статье будут подробно рассмотрены история создания, устройство, принцип действия, особенности и области применения асинхронных двигателей
Содержание
История создания асинхронных двигателей
Асинхронные двигатели были изобретены практически одновременно несколькими инженерами в конце XIX века.
В 1888 году Никола Тесла запатентовал двухфазный асинхронный двигатель. В том же году итальянский инженер Галилео Феррарис опубликовал работу, в которой описал принцип действия асинхронного двигателя и предложил схему трехфазного асинхронного двигателя.
В 1889 году русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский разработал первый трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и получил на него патент в Германии. Этот тип асинхронного двигателя в дальнейшем получил наибольшее распространение.
Практически одновременные изобретения Теслы, Феррариса и Доливо-Добровольского позволили начать промышленное производство и внедрение асинхронных двигателей. Их преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока — простота и надежность конструкции, неприхотливость в работе, возможность использования трехфазного напряжения — обеспечили им широкое распространение в промышленности в первые десятилетия XX века. С тех пор асинхронные двигатели являются одними из самых массовых электрических машин.
Устройство асинхронных двигателей
Устройство асинхронного двигателя состоит из двух основных частей — неподвижного статора и вращающегося ротора.
Статор представляет собой пакет электротехнической стали с пазами, в которые укладывается обмотка. Обмотка статора трёхфазная, состоит из трёх катушек, сдвинутых по фазе на 120 градусов. Статор устанавливается внутри корпуса.
Ротор находится внутри статора и отделен от него воздушным зазором. В асинхронных двигателях используются два основных типа роторов:
- Короткозамкнутый ротор — на стальном роторе размещены алюминиевые или медные стержни, соединенные на торцах короткозамыкающими кольцами.
- Фазный ротор — обмотка ротора трехфазная, аналогичная обмотке статора. Выводы ротора подключаются к контактным кольцам.
Кроме статора и ротора, в конструкцию асинхронного двигателя входят подшипниковые узлы вала, корпус с подшипниковыми щитами, вентилятор охлаждения и другие элементы.
Сравнение асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором:
| Характеристика | Короткозамкнутый ротор | Фазный ротор |
|---|---|---|
| Конструкция ротора | Стержни, замкнутые короткозамыкающими кольцами | Трехфазная обмотка, контактные кольца и щетки |
| Сложность конструкции | Проще | Сложнее |
| Стоимость | Ниже | Выше |
| Регулирование скорости | Невозможно | Возможно (реостат) |
| Пусковой момент | Выше | Ниже |
| Скольжение ротора | Больше | Меньше |
| КПД | Ниже | Выше |
| Область применения | Механизмы без регулирования скорости | Механизмы с регулируемой скоростью |
Принцип действия асинхронных двигателей
Принцип действия асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, наводимых этим полем в роторе.
При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора создается вращающееся магнитное поле. Оно пересекает проводники ротора и наводит в них токи (вихревые токи Фуко). Взаимодействие токов ротора и магнитного поля статора порождает силу, вращающую ротор.
В асинхронных двигателях частота вращения магнитного поля статора всегда выше частоты вращения ротора — отсюда название «асинхронные». Разница частот называется скольжением.
В двигателях с короткозамкнутым ротором токи наводятся непосредственно в стержнях ротора. В двигателях с фазным ротором ток подается на обмотку ротора через контактные кольца.
Таким образом, принцип действия асинхронных двигателей основан на использовании явления электромагнитной индукции и силы Ампера. Простота принципа действия обеспечивает надежность и долговечность этих двигателей.
Регулирование частоты вращения
Существует несколько способов регулирования частоты вращения асинхронных двигателей:
- Частотный способ — изменение частоты питающего напряжения с помощью преобразователя частоты. Позволяет плавно регулировать скорость в широком диапазоне.
- Способ автотрансформатора — регулирование напряжения на статоре автотрансформатором. Применяется редко из-за неэкономичности.
- Реостатный способ — подключение резисторов к обмотке ротора двигателей с фазным ротором. Позволяет регулировать скорость в ограниченном диапазоне.
- Изменение числа пар полюсов — переключение обмоток статора со звезды на треугольник. Позволяет получить две фиксированные скорости.
- Импульсное управление — подача на обмотки статора напряжения специальной формы. Позволяет регулировать скорость в широком диапазоне.
Наиболее современным является частотный способ регулирования с применением преобразователей частоты, дающий плавное бесступенчатое управление скоростью асинхронного двигателя.
Особенности и характеристики
Асинхронные двигатели обладают рядом преимуществ:
- Простота и надежность конструкции за счет отсутствия коллектора и щеток.
- Неприхотливость к условиям работы, способность выдерживать перегрузки.
- Высокий пусковой момент.
- Широкий диапазон мощностей.
- Относительно невысокая стоимость.
- Высокий КПД (до 90%).
К недостаткам можно отнести:
- Сложность регулирования скорости (кроме двигателей с фазным ротором).
- Большой пусковой ток при прямом пуске.
Асинхронные двигатели широко применяются в приводе механизмов, не требующих регулирования скорости — насосов, вентиляторов, конвейеров и др. Двигатели с фазным ротором используются там, где нужно регулировать скорость — станки, подъемно-транспортные механизмы.
Заключение
Асинхронные двигатели за более чем 100-летнюю историю завоевали лидирующие позиции среди электродвигателей благодаря простоте конструкции, надежности и относительно невысокой стоимости.
Современные асинхронные двигатели — это высокоэффективные электромеханические преобразователи энергии. Их достоинства позволяют широко использовать их в самых разных областях — от бытовой техники до мощных промышленных механизмов.
Несмотря на долгую историю, развитие асинхронных машин продолжается. Современные системы управления на базе преобразователей частоты позволяют расширить функциональные возможности асинхронных приводов. Перспективными являются разработки в области повышения энергоэффективности и создания новых конструкций.
Несмотря на конкуренцию со стороны других типов двигателей, асинхронные двигатели будут играть важную роль в электроприводе, промышленности и транспорте еще долгие годы.
Похожие статьи:
Загрузка...