Асинхронный двигатель – наиболее эффективная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Изобретенный более сотни лет назад, электромотор до сих пор не теряет актуальности, а принцип его работы практически не изменился. 
История изобретения асинхронного двигателя
1888 год. Итальянский электротехник Галилео Феррарис публикует статью, адресованную Королевской академии наук в Турине, где просит обратить внимание на свое исследование, результате которого изобретатель смог получить первые теоретические основы работы асинхронного двигателя. В это же время в США Никола Тесла получает патент на основании той же информации. [caption id="attachment_3449" align="alignright" width="181"]
Михаил Доливо-Добровольский[/caption]
Основная заслуга Феррариса – ошибка в выводе о КПД асинхронного двигателя. Думая, что показатель невелик и применение переменного тока в целом нецелесообразно, он смог добиться внимания многих ученых и инженеров, которые все же занялись вопросом усовершенствования электромотора. Статью перевели на английский и однажды ее прочел Михаил Доливо-Добровольский. Заинтересовавшись темой немецкий инженер с русскими корнями приступил к работе над созданием нового электромотора. Следующие два года ознаменовались поистине великими изобретениями. 1889 – Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо», в 1890 – на фазный ротор. Своими изобретениями Михаил Осипович открыл новую эру в промышленном производстве. Электрические машины позволили запустить массовый выпуск продукции. Уже в 1903 году в городе Новороссийск построили первый в истории элеватор, который был оснащен сетью переменного трехфазного тока. Процесс оснащения происходил под четким руководством самого изобретателя. Сегодня машина, изобретенная Доливо-Добровольским с подачи Феррариса – наиболее распространенный тип моторов в мире. Область применения асинхронного двигателя чрезвычайно широка. Для приведения в движения оборудование на производстве используют трехфазные двигатели.Как устроен электромотор
Как и у любого электродвигателя, у асинхронного есть две главные детали – ротор и статор. Это базовые элементы для превращения электрической энергии в механическую. Статор – часть двигателя, остающаяся неподвижной. На его внутренней стороне есть специальные пазы, где уложена трехфазная обмотка. Ее питает трехфазный ток. Ротор – часть машины, которая во время работы приходит в движение. В его пазы тоже укладывают обмотку. Обе детали, статичная и подвижная, производятся из электротехнической стали. Если точнее, то из листов, толщина которых составляет от 0,35 мм до 0,5 мм. Каждый лист при этом изолирован от другого с помощью толстого лакового покрытия. Что касается зазоров, между ротором и статором и делают минимальными: для менее мощных моторов от 0,3 мм до 0,35 мм, а для более мощных машин – от 1 мм до 1,5 мм. Все асинхронные электродвигатели делятся на два вида: с короткозамкнутым ротором и с фазным. Из названия понятно, что принципиальное различие устройств заключается в строении самого ротора. Большей популярностью пользуются двигатели с короткозамкнутым типом ротора. Причина этому незамысловата: их конструкция несколько проще.Обмотка статора асинхронного двигателя
Обмотку статора в таком двигателе, как уже сказано выше, укладывают в специальные пазы. Сама она сделана из нескольких соединенных катушек. Витки, из которых состоит катушка, полностью изолированы. [caption id="attachment_3450" align="aligncenter" width="419"]
Обмотки статора. Рисунок 1[/caption]
На рисунке 1а изображена обмотка статора в асинхронном электродвигателе. Во всех катушках здесь два проводника: статор двухполюсный. Обмотка из трех катушек может создать магнитное поле и два полюса. Один период трехфазного тока равен одному обороту магнитного поля. То есть, если частота равна 50 Гц, то количество оборотов составит 50 раз в секунду (3000 в минуту). На рисунке 1б изображена обмотка, где на каждой стороне катушки по два проводника. Это четырехполюсный статор. Его магнитное поле вращается в два раза медленнее, чем у двухполюсного. Это означает, что при той же частоте 50 Гц, поле сделает 25 оборотов за секунду (1500 в минуту). Четырехполюсный статор с обмоткой, где на полюс и фазу приходится по одному проводку изображен на рисунке 1в. На рисунке 1г на полюс и фазу такого же статора приходится по два проводника. Если статор шестиполюсный, то его скорость будет уже в три раза меньше, чем скорость предыдущего (1000 оборотов в минуту при неизменной частоте 50 Гц). Шестиполюсный статор, где на полюс и фазу приходится по одному проводку изображен на рисунке 1д.Устройство электродвигателя с короткозамкнутым ротором
Наиболее популярный тип двигателя, с короткозамкнутым ротором, имеет следующее строение (рисунок 2). Трехфазную обмотку (2) укладывают на статор (неподвижную часть электромотора) (1). Обмотка питается трехфазным током. Каждое начало всех фаз выведено на общий щиток. Его укрепляют на наружной стороне корпуса электродвигателя. [caption id="attachment_3451" align="aligncenter" width="482"]
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Рисунок 2[/caption]
Сердечник статической части агрегата собирают и размещают внутри корпуса (3), выполненного из чугуна. В пазы подвижного якоря (второе название ротора) (4)укладывают стержни из меди. С каждой стороны они припаяны к кольцам (они тоже из меди) (5). Получается, что каждый стержень оказывается накоротко замкнутым с двух сторон. Если изобразить обмотку ротора данного типа, то ее внешний вид напоминает беличье колесо. Во всех двигателях, мощность которых не более 100 кВт, такая обмотка изготовлена из алюминия. Под давлением его заливают в каждый паз ротора. Вращение вала (6) происходит в подшипниках. Последние, в свою очередь, закреплены в специальных щитах (7,8). Подшипниковые щиты закреплены на корпусе электродвигателя с помощью болтов. Чтобы вращение вала передалось станку или машине, на один из его концов насажен шкив.Устройство фазного ротора
[caption id="attachment_3452" align="aligncenter" width="555"]
Разрез асинхронного двигателя с фазным ротором. Рисунок 4 1 - вал двигателя, 2 - ротор, 3 - обмотка ротора, 4 - статор, 5 - обмотка статора, 6 - корпус, 7 - подшипниковые крышки, 8 - вентилятор, 9 - контактные кольца[/caption]
Фазный ротор характерен наличием трех фазных обмоток. Они, зачастую, соединяются по схеме звезды (иногда по схеме треугольника). Каждый конец фазной обмотки присоединен к медному кольцу. Кольца же укрепляются на валу и изолируются. Это дало двигателю еще одно название: асинхронный электродвигатель с контактными кольцами. Всего кольца три. Их плотно насаживают на вал с помощью изоляционных прокладок. На кольца наложены щетки (они расположены в щеткодержателе, в свою очередь укрепленных на крышке подшипника). Щетки всегда имеют исправный электроконтакт с кольцами. Это соединяет их с самой обмотками якоря. Между собой щетки соединяет трехфазный реостат.Принцип работы асинхронной машины
Все асинхронные двигатели работают по принципу вращающегося магнитного поля. Но как создать такое поле? Самый простой способ – вращать постоянный магнит по оси. Можно взять медный диск и крутить магнит уже вокруг него. Если магнит достаточно силен, то медный диск тоже начнет вращаться, как бы пытаясь угнаться за магнитом. Будет создаваться ощущение, что между двумя предметами есть некая связь которая постоянно их удерживает. Движение магнита и диска будет не синхронным, ведь последний всегда будет отставать в «погоне». Объяснение этому явлению можно дать такое: вращаясь вокруг диска, магнит способен возбудить в нем токи Фуко (индукционные). Их траектория – замкнутый круг. Индукционные токи не имеют начала и конца. Их можно назвать токами короткого замыкания, разогревающими металл. Как правило, от них нужно избавляться, но в этом случае именно они и являются причиной появления магнитного поля в диске. Далее это поле начинает взаимодействие уже с полем самого постоянного магнита. Асинхронные электромоторы работают по такому же принципу, но вращающееся поле создает не магнит, а обмотка статора. В ней, собственно, и создается подходящее для вращения поле. Подобные условия возможно создать только в системе с несколькими фазами, где ток сдвигается на несколько градусов. В бытовых электроприборах двигатели обычно с двумя фазами, причем вторую создают искусственно. Для этого используют сдвигающий конденсатор, катушку или сопротивление. Электродвигатели, используемые на промышленных предприятиях, выпускают с тремя фазами. В самом первом трехфазном асинхронном электродвигателе было три обмотки. Они были удалены друг от друга на 120 градусов. Схема работы такого двигателя и синусоидальный ток трех его полюсов показан на рисунке 4. [caption id="attachment_3453" align="aligncenter" width="649"]
Рисунок 4[/caption]
Итак, в тот момент, когда в одной из фаз ток нулевой, в остальных он принимает максимальные значения, при этом фазы отличаются по направлению тока. Таким образом и создается магнитное поле между двумя из трех обмоток. Далее все тут же меняется: один полюс отключается, а другой, тот что остался работать, начинает менять полярность. Это происходит из-за изменения направления тока в обмотке. А тот полюс, что только перешел в рабочее состояние, поддержит смещение поля. Благодаря этому в якоре машины формируются вихревые токи (так как линии магнитного поля пересекают часть ротора). Токи входят во взаимодействие с полем статора, которое уже вращается, пытаются его как бы догнать. Происходит поворот ротора. Такой принцип работы асинхронной машины, который был выведен еще в XIX веке, актуален и для тех электромоторов, что производят сегодня. Однако, изменения в конструкции все же произошли. Дисковые и цилиндровые якори теперь заменили на «беличьи клетки», чаще используют роторы фазного типа. Форма обмотки статичной части двигателя тоже подверглась изменениям. Вместо катушки с полюсным наконечником используют радиальные обмотки: их укладывают в пазы. Стоит также упомянуть о том, что такое схема замещения асинхронного двигателя. Ее часто используют в электротехнике во время проведения расчетов. Вместо самого электродвигателя подставляют эквивалентную схему, где электромагнитную связь замещает электрическая.Как подключить электродвигатель к сети
Питающее напряжение у разных потребителей разное, из-за этого время от времени электрическое оборудование приходится переподключать. Предложенная ниже инструкция поможет безопасно подключить электродвигатель на 220 В. Задача достаточно проста. Главное в этом деле – не ошибиться при подключении обмоток. Классификация двигателей включает в себя два типа:- трехфазного с обмоткой (схема включения звезда или треугольник);
- однофазного (у него пусковая обмотка).
Их способы подключения мы и рассмотрим.Включение в сеть трехфазного двигателя
Отличительная черта асинхронного двигателя – простая конструкция относительно других видов электромашин. Его распространенность можно также объяснить его надежностью и износоустойчивостью. Асинхронный двигатель переменного тока имеет очень простую конструкцию по сравнению с другими видами электрических машин. Он довольно надежен, чем и объясняется его популярность. К переменному напряжению такой включают по схеме звезды или треугольника. Первую схему используют чаще. Рабочее напряжение электромоторов тоже отличается:- 220–380 В;
- 380–660 В;
- 127–220 В.
Так как же подключить машину, не спалив обмотку?Нужное напряжение
[caption id="attachment_3454" align="alignright" width="295"]
Пример информационной таблички на двигателе[/caption]
Убедитесь в том, что электродвигатель соответствуем всем требованиям. Их можно найти на табличке на внешней стороне корпуса агрегата. Там указаны такие характеристики как мощность, напряжение, на которое рассчитан агрегат, коэффициент мощности конкретного асинхронного двигателя. Важно, чтобы одним из параметров было напряжение 220 В. Затем узнайте тип подключения обмоток. Для низких напряжений используют схему звезда, а для высоких – треугольник.Для высокого напряжения
Допустим табличка имеет следующие данные: Δ/Ỵ220/380. Эта надпись говорит о том, что двигателю требуется подключение треугольником. При наличии клеммной коробки сделать это не составит труда. Перемычки просто переключатся в требуемое положение. Если клеммная коробка отсутствует и перед вами лишь провода, весь агрегат придется разобрать. Когда доберетесь до статора, увидите три конца проводов, они будут спаяны. Вы нашли соединение по схеме звезды. Их нужно отсоединить друг от друга и подключить по схеме треугольника. В целом, это не очень сложно. Помните о том, что у катушки есть начало и конец, не путайте их. Если начало – это, то, что выведено в борно двигателя, значит, спаяны концы. Подключение происходит так: конец одной катушки спаивается с началом другой. С помощью таких нехитрых манипуляций, мы сделали двигатель, предназначенный для напряжения 380 В, пригодным для подключения к сети 220 В. Для низкого напряжения
Может быть, что той же табличке написано Δ/Ỵ 127/220. Это говорит о том, что требуется «звездная» схема подключения обмоток. Если клеммной коробки нет, двигатель подключен «треугольником», а концы, как это часто бывает, не подписаны – не беда. Решение проблемы есть. Правда, в этом случае все несколько сложнее и займет больше времени. Разведите все концы и с помощью омметра отыщите катушки статора. Пометьте их с помощью скотча или цветной изоленты. Возможно, это пригодится еще не раз. Возьмите батарейку и подключите ее к а1-а2. к в1-в2 подключите омметр. Когда контакт с батарейкой будет разорван, стрелка на омметре сдвинется в сторону. Запомните, куда именно указала стрелка и присоедините прибор к с1-с2. Полярность менять не нужно. Проделайте все снова. Стрелка может качнуться в другую сторону. В этом случае провода нужно поменять местами, и сменить маркировку. Стрелка должна отклоняться только в одну сторону. Батарейка, на которой соблюдена полярность, соединяется с с1-с2, а измерительный прибор с а1-а2. Теперь все нужно перепроверить. Стрелка должна отклоняться одинаково на всех катушках. Если все верно, пучок с одинаковыми цифрами (допустим, 1) - это начало, с цифрой 2 – конец. Все три конца (а2, в2, с2) нужно соединить и изолировать. Это и есть соединение по схеме звезды. Его можно вывести на клеммник, сделать маркировку для удобства, нарисовать или наклеить схему, по которой соединены обмотки. Переключение с «треугольника» на «звезду» готово. Устройство можно подключать к сети. https://youtu.be/xMf9tPaspyo
Подключение однофазных асинхронных двигателей
Еще один вид асинхронных электромашин – однофазные электродвигатели переменного тока. У таких моторов есть лишь две обмотки, причем, работает после запуска лишь одна. У таких двигателей есть некоторые особенности, их мы и рассмотрим. Такие агрегаты еще называют электродвигателями с расщепленной фазой. На их статоре присутствует смещенная обмотка (относительно основной) – она является вспомогательной. Запустить машину помогает фазосдвигающий конденсатор. Очень важно обращать внимание на табличку с характеристиками агрегата. Даже если вы видите три провода, это еще не показатель того, что двигатель можно включать в сеть на 380 В. Рискуете спалить обмотку – это основная неисправность подобных двигателей.Включаем однофазный двигатель в сеть
Первым делом определяем середину катушек – это место соединения. Сделать это легко по цвету проводов. Если все концы выведены нормально, то никаких проблем с подключением не возникнет. Если нет, то все немного усложняется. Попробуйте прозвонить концы катушек омметром. Наибольшее значение сопротивления говорит о двух последовательно соединенных катушках. Их нужно как-то пометить. Следим за прибором дальше. У пусковой катушки в исправном состоянии сопротивление всегда выше, чем у той, что работает. После этого подключается конденсатор. Готово, однофазный двигатель можно включать в сеть.Преимущества и недостатки асинхронного двигателя
Уже не раз было сказано, что асинхронные двигатели – наиболее распространенный тип электромоторов на предприятиях. Из всего современного оборудования доля асинхронных агрегатов составляет 95%, в оставшиеся пять помещается более пяти видов разных электродвигателей. Каковы плюсы и минусы оборудования и почему оно так популярно?Положительные характеристики асинхронного двигателя
- Часто выбор асинхронного двигателя связан с простотой конструкции – это его главное достоинство. Это объясняет не только трехфазная система снабжения электричеством, но и принцип действия машины. Из этого вытекает и другая положительная черта электродвигателя – невысокая цена. Из всех типов двигателей именно данный будет наиболее бюджетным.
- Для того чтобы сформировать вращающееся магнитное поле в трехфазном электродвигателе, не требуются никакие дополнительные детали и элементы. Сама конструкция машины обусловливает вращение поля в статоре, из чего происходит движение ротора. Чтобы это осуществить нужно лишь подать напряжение с помощью контактора или пускателя и электродвигатель заработает.
- Диагностика и обслуживание асинхронных двигателей не вызывает затруднений, а эксплуатационные затраты на машину совсем невелики. Если двигатель правильно установлен и его режим работы соответствует правилам, менять подшипники нужно не чаще, чем раз в 15 лет.
Отрицательные моменты в эксплуатации асинхронных двигателей
- Зависимость скорости вращения ротора от того, сколько полюсов в обмотке статора и от частоты сети, которая питает двигатель. Если работа предусматривает смену скоростей, то это может стать существенным недостатком. Чтобы подобных проблем не было, существует двухскоростной асинхронный двигатель.
- Эффект скольжения. Ротор вращается с меньшей частотой относительно поля в статоре. В этом состоит весь принцип работы машины. Скольжение еще имеет зависимость от нагрузки на вал. При желании эту проблему можно решить с помощью прибора для преобразования частоты.
- Если помещение, сырое, использование двигателя такого типа может быть невозможным. Во влажных помещениях требования к электрической безопасности, как правило, особенно серьезные. А технические характеристики асинхронных двигателей, к сожалению, не позволяют агрегатам работать при напряжении меньше 220В.
- Еще один недостаток – двигатель очень чувствителен к напряжению в сети. Если сеть в помещении, где применяется агрегат, нестабильна, при отклонении напряжения от нормы машина может перегреться, а динамическая характеристика изменится.
- Большая величина пускового тока тоже является значимой проблемой. Во время запуска он может превышать нормальное значение даже в восемь раз. Поэтому мощные двигатели не рекомендуют подключать к сети напрямую. Пусковой ток. Большой пусковой ток – проблема асинхронных двигателей мощностью более 10 кВт. При пуске ток может превышать номинальный в 5-8 раз и длиться несколько секунд. Из-за этого негативного эффекта мощные двигатели нежелательно подключать напрямую. У двигателей с фазным ротором таких проблем нет.
Анализируя преимущества и недостатки асинхронного двигателя можно смело говорить о том, что плюсы использования агрегата сильно перевешивают все негативные моменты. https://youtu.be/hU9krurbi0c
