Асинхронный двигатель как определить число пар полюсов

Двигатели переменного напряжения есть трёх типов: синхронные, угловая скорость ротора которых совпадает с угловой частотой магнитного поля статора; асинхронные – в них вращение ротора отстаёт от вращения поля; коллекторные, конструкция и принцип действия которых аналогичны двигателям постоянного напряжения.

Синхронная скорость

Скорость вращения электромашины переменного тока зависит от угловой частоты магнитного поля статора. Эта скорость называется синхронной. В синхронных двигателях вал вращается с той же быстротой, что является преимуществом этих электромашин.

Для этого в роторе машин большой мощности есть обмотка, на которую подаётся постоянное напряжение, создающее магнитное поле. В устройствах малой мощности в ротор вставлены постоянные магниты, или есть явно выраженные полюса.

Скольжение

В асинхронных машинах число оборотов вала меньше синхронной угловой частоты. Эта разница называется скольжение «S». Благодаря скольжению в роторе наводится электрический ток, и вал вращается. Чем больше S, тем выше вращающий момент и меньше скорость. Однако при превышении скольжения выше определённой величины электродвигатель останавливается, начинает перегреваться и может выйти из строя. Частота вращения таких устройств рассчитывается по формуле на рисунке ниже, где:

• n – число оборотов в минуту,
• f – частота сети,
• p – число пар полюсов,
• s – скольжение.

Формула расчёта скорости асинхронного двигателя

Такие устройства есть двух типов:

• С короткозамкнутым ротором. Обмотка в нём отливается из алюминия в процессе изготовления;
• С фазным ротором. Обмотки выполнены из провода и подключаются к дополнительным сопротивлениям.

Регулировка частоты вращения

В процессе работы появляется необходимость регулировки числа оборотов электрических машин. Она осуществляется тремя способами:

• Увеличение добавочного сопротивления в цепи ротора электродвигателей с фазным ротором. При необходимости сильно понизить обороты допускается подключение не трёх, а двух сопротивлений;
• Подключение дополнительных сопротивлений в цепи статора. Применяется для запуска электрических машин большой мощности и для регулировки скорости маленьких электродвигателей. Например, число оборотов настольного вентилятора можно уменьшить, включив последовательно с ним лампу накаливания или конденсатор. Такой же результат даёт уменьшение питающего напряжения;
• Изменение частоты сети. Подходит для синхронных и асинхронных двигателей.

Внимание! Скорость вращения коллекторных электродвигателей, работающих от сети переменного тока, не зависит от частоты сети.

Трехфазный асинхронный электродвигатель

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор асинхронного двигателя

Ротор асинхронного двигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Корпус и сердечник статора асинхронного электродвигателя

Конструкция шихтованного сердечника асинхронного двигателя

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

• где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f₁ – частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Магнитное поле создаваемое обмоткой

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂

Принцип работы асинхронного электродвигателя

Иногда можно встретить определение асинхронного двигателя как коллекторного либо индукционного. Это объясняется тем, что посредством вращающегося поля статора индуцируется ток в обмотке.

В основу принципа работы асинхронного электродвигателя положено вращение магнитного поля. То есть электродвигатель приводится в движение вследствии взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

Синхронной скоростью двигателя называют скорость вращения магнитного поля статора, а скорость вращения ротора асинхронной, потому как она отличается от скорости вращения магнитного поля статора на 2-3%, когда двигатель вращается в холостую, и примерно на 5-8% при нагрузке. Это отставание обусловлено тем, что при совпадении скорости магнитного поля статора и скорости ротора в обмотках ротора перестала бы наводиться ЭДС и вращающий момент не появится. Разность между скоростями поля статора и ротора называют скольжением.

Рассмотрим принцип работы на примере 3х-фазного двигателя с тремя обмотками, установленными под углом 120 градусов, как показано на рисунке справа. Переменный ток проходит по обмоткам статора, создавая магнитное поле в каждой из катушек. Вращающееся магнитное поле статора наводит ЭДС в обмотках ротора. ЭДС в замкнутых проводниках создает ток, который при взаимодействии с магнитным полем приводит к вращению ротора. Скольжение с разгоном двигателя уменьшается, стремясь к 2-3% в холостом режиме.

Двигатели постоянного тока

Кроме машин переменного напряжения есть электродвигатели, подключающиеся к сети постоянного тока. Число оборотов таких устройств рассчитывается по совершенно другим формулам.

Номинальная скорость вращения

Число оборотов аппарата постоянного тока рассчитывается по формуле на рисунке ниже, где:

• n – число оборотов в минуту,
• U – напряжение сети,
• Rя и Iя – сопротивление и ток якоря,
• Ce – константа двигателя (зависит от типа электромашины),
• Ф – магнитное поле статора.

Эти данные соответствуют номинальным значениям параметров электромашины, напряжению на обмотке возбуждения и якоре или вращательному моменту на валу двигателя. Их изменение позволяет регулировать частоту вращения. Определить магнитный поток в реальном двигателе очень сложно, поэтому для расчетов пользуются силой тока, протекающего через обмотку возбуждения или напряжения на якоре.

Число оборотов коллекторных электродвигателей переменного тока можно найти по той же формуле.

Регулировка скорости

Регулировка скорости электродвигателя, работающего от сети постоянного тока, возможна в широких пределах. Она возможна в двух диапазонах:

1. Вверх от номинальной. Для этого уменьшается магнитный поток при помощи добавочных сопротивлений или регулятора напряжения;
2. Вниз от номинальной. Для этого необходимо уменьшить напряжение на якоре электромотора или включить последовательно с ним сопротивление. Кроме снижения числа оборотов это делается при запуске электродвигателя.

Знание того, по каким формулам вычисляется скорость вращения электродвигателя, необходимо при проектировании и наладке оборудования.

Работа асинхронного электродвигателя

В какой бы сфере не участвовал человек, повсюду применяются электрические моторы. Сегодня изделия задействованы как в промышленности, так и в быту. Механизмы несут массу положительных качеств: простота, надёжность, долговечность, экологическая чистота. Характеристики дают моторам охватывать большее количество незанятых ниш, изделия уже вплотную используются в автомобилестроении.

Среди разновидностей, по количеству произведённых электрических машин, асинхронный двигатель занимает первое место. Относительная дешевизна и универсальность мотора при эксплуатации стали решающим фактором, повлиявшим на массовость выпуска. Перспективы развития агрегатов увеличиваются, поскольку сегодня нет, чище способа получить механическую работу, чем использовать электричество. В реалиях, целесообразность экологических аспектов растёт с каждым годом в геометрической прогрессии, поэтому рассмотрим установку детально.

Асинхронный двигатель в разрезе:

История асинхронного двигателя

Начало развития асинхронных двигателей было положено в 88 году девятнадцатого века, когда итальянский электротехник Галилео Феррарис опубликовал в Турине статью о теоретических основах асинхронного электродвигателя. Ошибочные выводы итальянца о небольшом коэффициенте полезного действия асинхронных двигателей вызвало большой интерес среди других инженеров. Силы большинства учёных направлены на усовершенствование изделия.

Итальянский электротехник Галилео Феррарис (1847-1897 года жизни):

После того, как в том же году статью перепечатал английский журнал, её прочитал выпускник Дармштадтского технического училища, М.О. Доливо-Добровольский. Через год, талантливый выходец из Российской Империи получил патент на трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Русский электротехник Доливо-Добровольский (1862-1919 года жизни):

Труды изобретателя положили начало массовому применению электрических двигателей. Так, в Новороссийске в третьем году двадцатого века, под руководством учёного, построен первый в мире элеватор, использовавший промышленную сеть переменного трёхфазного тока с трёхфазными трансформаторами и синхронными двигателями с фазным ротором. Сегодня, трёхфазный асинхронный двигатель Добровольского, самая распространённая электрическая машина.

Устройство асинхронного двигателя

Назначение асинхронного двигателя, это преобразование энергии электричества в механическую работу. Выполнить эту задачу установке помогают две детали: статор и ротор.

Устройство статора представлено в виде неподвижной части мотора, которая взаимодействует с подвижной частью, ротором. Между ротором и статором воздушный зазор, разделяющий механизмы. Активной частью механизмов является обмотка и детали сердечника, проводящие магнитный поток, возбуждаемый электрическим током, проходящим по обмотке. С целью минимизировать магнитные потери, при перемагничивании сердечника, деталь набирают из пластин, изготовленных из электротехнической стали. Обмотка статора конструктивно равномерно укладывается проводниками в пазы сердечника, угловое расстояние 120°. Схема соединения фаз обмотки статора «треугольник» или «звезда». В целом, статор представляет собой большой электрический магнит, цель которого, создать магнитное поле.

Статор и ротор асинхронного двигателя:

Схема подключения «звезда» или «треугольник» выбирается в зависимости от напряжения питания сети. Существенную роль играют такие понятия:

Фазное напряжение, соответствует разности потенциалов между началом и концом одной фазы, или разница потенциалов между линейным и нейтральным проводом. Линейное напряжение, разность потенциалов между двумя линейными проводами (фазами)

Iл, Iф – ток (линейный и фазовый), А;

P – мощность активная, Вт.

Важно! Мощность для соединения «звезда» и «треугольник» рассчитывается по одной формуле. Однако, подключение одного и того же асинхронного двигателя разными соединениями в одну и ту же сеть, приведёт к разной потребляемой мощности. Неправильное подключение способно расплавить обмотки статора.

Поскольку асинхронный двигатель широко распространён повсеместно, на его долю приходится потребление от 45% до 50% вырабатываемой электроэнергии. Что бы снизить расход электроэнергии (почти на 50%) и не потерять в мощности и цене двигателя, в конструкции механизма используют применение совмещённых обмоток. Принцип заключается в схеме подключения нагрузки к сети. Совмещение обмоток «звезда» «треугольник» при последующем подключении к трёхфазной сети даёт в итоге систему из шести фаз, угол между магнитными потоками в которой равен 30°. Метод сглаживает кривую магнитного поля между ротором и статором, это положительно сказывается на показателях электродвигателя.

В зависимости от конструкции ротора, асинхронный двигатель условно делят на виды: короткозамкнутый ротор, фазный ротор. Статор обоих механизмов одинаков, отличительная черта, обмотка. Сердечник ротора так же выполнен из электротехнической стали, методом комбинирования прямых и косых стыков пластин.

Составные детали двигателя размещаются в корпусе. Для небольших моторов корпус делают цельнолитым, материал изделия, чугун. Кроме того, применяют сплав алюминия, либо сталь. Некоторые корпуса в маленьких двигателях совмещают функцию сердечника, в мощных двигателях корпус выполняется из составных частей.

Поскольку асинхронный мотор относится к электрической машине, изделие применяется как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Однако, как генератор, асинхронный механизм имеет ряд недостатков, которые не позволили машине использоваться массово в этом качестве.

Тип подвижной части

Как уже упоминалось, в зависимости от того, в каком виде выполнена подвижная часть, асинхронные двигатели делят:

• Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Такая конструкция носит название «беличья клетка» за внешнюю схожесть. Конструктивно механизм состоит из стержней, которые замкнуты по торцам кольцами. Материал детали, медь или алюминий. В двигателях малой и средней мощности конструкцию выполняют, заливая расплавленный алюминий в пазы сердечника ротора, заодно выполняются кольца и торцевые лопасти. Назначение лопастей, вентилировать мотор. В мощных двигателях стержни клетки делают из меди, торцы стержней приваривают к кольцам.

Наличие зубцов с низким магнитным сопротивлением, в сравнении с сопротивлением обмотки, вызывает пульсацию магнитного потока. Пульсация приводит к росту гармонических токов напряжения электродвижущей силы. Чтобы снизить это явление, а так же уменьшить шум, пазы ротора или статора делают скошенными.

Недостаток короткозамкнутого ротора в том, что пусковой момент двигателя этой конструкции небольшой, наряду со значительным показателем пускового тока. Применение этих моторов целесообразно в случаях, если не требуются большие пусковые моменты. Достоинство: простота изготовления, низкая инерция, нет контакта со статической частью, как следствие, долговечность и приемлемая стоимость обслуживания.

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя:

• Асинхронный двигатель с фазным ротором.

Чаще конструкция имеет трёхфазную обмотку, иногда многофазную. Как правило, обмотка соединена по схеме «звезда» с выводом на кольца контакта, вращающиеся с валом двигателя. По кольцам контакта скользят щётки, выполненные из металла и графита. С помощью этих щёток, в цепь обмотки ротора встраивают реостат, отвечающий за регулировку пуска. Регулировка возможна, поскольку реостат играет роль добавочного активного сопротивления для каждой фазы.

Фазный ротор асинхронного двигателя:

Фазный ротор двигателя при включении максимально увеличивает момент пуска и уменьшает ток, это возможно из-за применения реостата. Такие характеристики приводят в действие механизмы, для которых характерна большая нагрузка в момент пуска.

Принцип работы

Рассмотрим асинхронный двигатель принцип работы и устройство. Для корректного подключения агрегата к сети, обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Действие механизма основано на использовании вращающегося магнитного поля статора. Частота вращения многофазной обмотки переменного поля (n1) определяется по формуле:

• f – частота сети в Герцах;
• p – Количество пар полюсов (как правило, 1-4 пары, поскольку чем их больше, тем ниже мощность и КПД, использование полюсов даёт возможность не применять редуктор, при низкой частоте вращения).

Магнитное поле, пронизывающее статор с обмоткой пронизывает и обмотку ротора. За счёт этого индуцируется электродвижущая сила. Электродвижущая сила самоиндукции в обмотке статора (Е1) направлена навстречу приложенному напряжению сети, ограничивая величину тока в статоре. Поскольку обмотка ротора замкнута, или идёт через сопротивление (короткозамкнутый ротор в первом случае, фазный ротор во втором случае), то под действием электродвижущей силы ротора (Е2) в ней образуется ток. Взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора и магнитного поля статора создаёт электромагнитную силу (Fэл). Направление силы определяется по правилу левой руки.

Согласно правилу: левая рука устанавливается таким образом, что бы магнитно силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца направлялись вдоль движения тока в обмотке. Тогда отведённый большой палец покажет направление действия электромагнитной силы для конкретного проводника с током.

Совокупность электромагнитных сил двигателя будет равна общему электромагнитному моменту (М), который приводит в действие вал электродвигателя с частотой (n2). Скорость ротора не равна скорости вращения поля, поэтому эта скорость называется асинхронной скоростью. Вращающий момент в асинхронном двигателе развивается только при асинхронной скорости, когда скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля. Важно, что бы при работе двигателя скорость ротора была меньше скорости поля (n2