Зміст:
- Пристрій асинхронного двигуна
- Статор асинхронного двигуна
- Ротор асинхронного двигуна
- Як працює асинхронний двигун
- Як визначити обороти асинхронного двигуна
Англомовний довідник називає асинхронний електродвигун індукційним. І відразу все стає на свої місця. Весь інтернет забитий питаннями, чим відрізняється даний тип машин від колекторних і синхронних аналогів, а насправді все просто. Це єдиний вид двигунів, де для створення полюсів використовується явище індукції. У всіх інших випадках застосовуються постійні магніти, котушки, що живляться струмом… І тільки в індукційних – тобто ми хотіли сказати – асинхронних двигунах використовуються наведення для створення рушійної сили. Це і визначає їх особливість – відмінність швидкості обертання вала від частоти поля.
Пристрій асинхронного двигуна
Статор класичний
Статор асинхронного двигуна
Почнемо з найпростішого і самого поширеного варіанту: коли живлення змінним струмом подається на обмотки статора. Що вони з себе представляють? Подивіться на фото: перед нами типовий зразок статора. Якщо вийняти з нього ротор, то не можна навіть сказати, до якого саме типу двигунів відноситься саме цей. Отже, ми прийшли до головного висновку: статор не визначає найчастіше методику формування рушійної сили. Він скоріше є опорою, щодо якої діє статор.
Ми бачимо перед собою складовою сердечник, що містить в собі дві котушки. Саме вони за рахунок спрямування намотування створюють два основних полюси. Не можна назвати їх північним або південним, оскільки напрям напруженості постійно змінюється (з подвоєною частотою мережі, наприклад, 100 Гц). Збірка зазвичай ведеться наступним чином: (Див. також: Як зробити електродвигун своїми руками)
Сердечник збирається з пластин, ізольованих один від одного за допомогою лаку. Коли йде робота асинхронного електродвигуна на 220 В, змінно поле наводить вихрові струми і викликає ефект перемагнічування. Щоб знизити втрати сердечник і розбивається на пластини. А спеціальна сталь з добавками кремнію має низький коефіцієнт електропровідності.
Статор асинхронного двигуна
У побутових асинхронних електродвигунах полюсів на статорі всього лише два. Але є й виключення з даної моделі. На іншому знімку ми бачимо статор асинхронного двигуна підлогового вентилятора з трьома швидкостями. Полюсів цілих вісім, і щоб живити таку купу заліза, знадобився конденсатор. Він зрушує фазу напруги на мінус 90 градусів відносно струму. За рахунок цього стає можливим створити змінну обертове поле всередині статора. Даний тип асинхронних двигунів називається конденсаторним.
Схема виглядає наступним чином:
А як підлаштовуються обертів? Такі регулятори швидкості асинхронного електродвигуна коммутіруют обмотку. Клавіатура управління влаштована так, що в кожний момент часу може бути натиснутий лише одна з кнопок, або ж всі вони вимикаються. Кожна з восьми обмоток, в свою чергу має кілька відводів. В статорі проводиться потрібна комутація, у тому числі деякі гілки живляться від конденсатора. В результаті натискання кожної кнопки включає в роботу лише частина обмотки. Повністю статор працює тільки на вищій швидкості.
Принцип роботи схеми
Приблизна схема, що демонструє принцип роботи, показана на фото. Швидкість обертання задається комутацією обмоток за допомогою кнопок 1, 2 і 3. Необхідність захисту від одночасного включення диктується вимогами до нормальної роботи пристрою. В результаті реалізується найпростішими методами управління по швидкості.
Осердя магнітопроводу, як і раніше, зібраний з листів електротехнічної сталі для зниження втрат на нагрівання. Але навіть у цьому випадку температура може досягати значних розмірів, тому ротор асинхронного двигуна вентилятора забезпечується лопатями (див. фото). Це означає, що будь-вентилятор в реальності може тільки розігрівати повітря, але ніяк не навпаки.
Лопаті ротора
Ротор асинхронного двигуна
В даному випадку двигун націлений на довготривалу роботу. Тому ротор забезпечений лопатями тангенціального вентилятора. Це допомагає охолодити конструкцію жаркими літніми ночами. А господар може спокійно спати, не думаючи про можливість пожежі. Будь-який хороший прилад працює аналогічним чином (сам себе охолоджує). В даному випадку двигун сконструйований за схемою з короткозамкненим ротором. Це означає, що сидить на валу барабан, де в силумін втоплені мідні жили. І всі вони закорочені один на одного через кільцевий з’єднувач. Подібне технічне рішення в літературі традиційно називається білячою кліткою (колесом) в силу очевидних причин. (Див. також: Як розібрати електродвигун)
Асинхронний короткозамкнений електродвигун є домінуючим в побуті. Поля в провідниках наводяться від статора, потім відбувається їх зчеплення через ефір, і вал починає набирати обертів. Але ніколи не наздожене частоту мережі. Тому що в цьому випадку індукційні струми звертаються в нуль, і зчеплення порушується. Вал гальмує, знову підхоплюється полем і так далі. Подібним чином діють однофазні асинхронні електродвигуни і будь-які інші. По суті, немає різниці, за допомогою чого створюється змінне поле.
Виділяють ще одну велику родину. Пристрій асинхронного електродвигуна в цьому випадку принципово інше. Ротор забезпечений обмотками, зовсім як у колекторного двигуна. Зазвичай вони трифазні. Це дозволяє навести набагато більш сильні поля, але з-за цього виходить і велика проблема: важко зрушити з місця вал. Величезна напруженість поля утворює неймовірної сили зчеплення, за рахунок чого є можливість виходу обладнання з ладу. Крім того вал взагалі так не розкрутиться.
Ось тому для зменшення сили наведених струмів (і, отже, напруженості поля) в ланцюзі всіх фаз ротора врубається реостат. Його активний опір не дає ЕРС розвинути всю свою потужність на валу: деяка частка перетворюється у звичайне тепло на активному опорі. В результаті стартовий момент асинхронного двигуна з фазним ротором досить великий, але і зриву обертів не відбувається. Зрозуміло, що значення опорів реостата для кожної конструкції своє. Його визначають ротор асинхронного електродвигуна, задані характеристики, стартова навантаження і багато іншого.
Зверніть увагу, що у всіх випадках з асинхронними двигунами ми маємо досить великі втрати. Особливо добре це помітно на прикладі реостата. У цьому випадку потужність асинхронного електродвигуна прямо витрачається на тепло розсіюється. Головним гідність розглянутого класу приладів все-таки є простота конструкції і обслуговування. В іншому випадку будь-які типи асинхронних електродвигунів закинуті б були на смітник історії.
Як працює асинхронний двигун
Ми вже сказали, що статор створює обертове магнітне поле. Напрямок ліній напруженості визначається за правилом буравчика (правої руки). Тому статор ми поки відкладемо в сторону і спробуємо зрозуміти, що в цей час відбувається на роторі. Почнемо з білячої клітки.
Всередині статора знаходиться поле, лінії напруги якого в першому наближенні спрямовані до центру, де знаходиться вал. Вони перетинають провідник білячої клітки під кутом, близьким до 90 градусів. За правилом правої руки змінне поле індукує ЕРС, яка в свою чергу породжує струм. В результаті виникає відповідь.
Будь-яка пара провідників білячої клітки звертається у рамку. А навколо обертається поле статора. За рахунок цього за правилом руки виникає відповідне поле протилежне напрямку вихідного. На практиці це виглядає так:
Принцип дії
Це просте і коротке пояснення того, чому біляча клітка, зрештою, починає обертатися. У той же час ротор не повинен бути занадто важким, тому що зчеплення полів не дуже сильне. Це пояснює низький тягове зусилля, що розвивається асинхронним двигуном на старті. У той же час високий пусковий струм, оскільки ніщо не перешкоджає генерації поля всередині статора. Зверніть увагу, що в роторі однофазного асинхронного двигуна, показаного на фото на початку статті, провідники білячої клітки трохи нахилені до осі барабана. Це допомагає створити більш рівномірний магнітний полюс, ніж компенсуються недоліки (в першу чергу нерівномірність) обертання поля статора.
Фазний ротор складається з обмоток, нормаль яких спрямована приблизно на центр двигуна (вал). Можна кожну з них уявити, як гіпертрофовану клітинку білячої клітки. З-за того, що витків багато (дриль, наприклад, їх близько 40), то сила поля набагато вище. В цьому випадку за рахунок різкого стрибка на старті споживана енергія стала б занадто великою. А рівень ЕДС значний (тому що залежить від швидкості зміни магнітного потоку). Ось тому в ланцюг ротора і включається реостат. Він знижує струм, що закономірно знижує відповідне поле, що генерується провідниками.
У той же час фазний ротор може значно поліпшити характеристики асинхронних електродвигунів, тому що два чи три провідники (грубо кажучи) дають більше тягове зусилля. До мінусів такого технічного рішення відносять струмознімачі і щітковим апаратом. Для зниження зносу в деяких асинхронних двигунах після набору обертів ротор закорочується спеціальним механізмом. Цим набагато продовжується життя обладнання.
Ми не бачимо причин розглядати більш детально фазний ротор, тому що кращої його ілюстрацією служить посилена біляча клітка. Уявіть собі, що замість однієї їх стало сорок штук! Круто? А кількість (від 40 і вниз) регулюється опором реостата.
Як визначити обороти асинхронного двигуна
Ми вже сказали, що будь-який, в тому числі асинхронний трифазний електродвигун не може розвинути обертів навіть близько до частоти поля. Ось чому кількість полюсів прагнуть знизити. Але навіть в цьому випадку рідко вдається досягти бажаних 3000 об/хв (50 Гц х 60 сек). Точніше кажучи, це в принципі неможливо. І навпаки, збільшення кількості полюсів статора практикується для пониження оборотів, як це було показано вище на прикладі підлогового вентилятора.
Але ще частіше практикується підключення асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором на трифазний регулятор амплітуди. Така методика дозволяє максимально просто добитися результату. Струми асинхронних електродвигунів великі на старті також із-за втрат в осерді ротора (з ростом оборотів вони знижуються). Ми б не сказали, що ремонт своїми руками статорів відноситься до категорії простих, але це набагато краще, ніж перемотувати ротор колектора. Простотою конструкції пояснюється любов промисловості до цього роду пристроїв.