Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя и его преимущества

Трехфазные двигатели переменного тока представляют собой электромагнитные преобразователи электрической энергии в механическую и наоборот в соответствии с законами электромагнитной индукции. Соответственно, они могут работать в режиме как двигателя, так и генератора. Трехфазные двигатели широко используются в промышленности, сельском хозяйстве и быту. Диапазон их мощностей колеблется от нескольких Вт до сотен кВт.

Устройство трехфазного электродвигателя

Основными компонентами устройства являются:

• корпус (станина),
• статор (индуктор),
• ротор,
• вентилятор.

Сердечник статора изготовлен из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,3–0,5 мм и имеет пазы на внутренней стороне. Такая конструкция уменьшает потери электроэнергии на вихревые токи. Три фазовые обмотки изготовлены из меди и уложены в пазы сердечника, а их концы выведены в клеммную коробку. Обмотки изолированы друг от друга и индуцируют вращающееся магнитное поле. Концы трех фазовых обмоток соединяются вместе по типу звезды или треугольником, если конец каждой обмотки соединяется с началом следующей.

Ротор представляет собой вращающуюся часть электродвигателя. Он находится в центральной части и имеет форму длинного вала, к которому прикреплен металлический цилиндр неправильной формы, окруженный тонкими листами металла, выполняющими функцию коммутатора. Как и у статора, сердечник ротора состоит из тонких ферромагнитных листов. В кольцевых агрегатах концы обмоток выводятся в контактные кольца на валу. Такое решение позволяет контролировать ток в роторе путем изменения сопротивления цепи. К концам обмоток можно приложить соответствующие сопротивления. Для этого используются специальные стартеры. Включение дополнительных сопротивлений в обмотки ротора приводит к снижению оборотов двигателя при сохранении большого крутящего момента. Это обеспечивает плавный запуск устройств с тяжелой загрузкой.

В короткозамкнутых роторах вместо обмоток используются металлические стержни. Такие устройства состоят из цилиндрического сердечника с параллельными прорезями, в которых находятся проводники – тяжелые медные или алюминиевые стержни, расположенные в собственных гнездах и замкнутые концевыми кольцами. Стержни идут не параллельно оси вала, а с небольшим наклоном, чтобы снизить магнитный шум и избежать застревания двигателя.

Трехфазные двигатели переменного тока можно разделить на асинхронные и синхронные. В обоих типах устройств принцип работы статора одинаков, но исполнение ротора и его движение относительно магнитного поля различны. В синхронном двигателе скорости вращения ротора и магнитного поля одинаковы, а в асинхронном – различаются. Эта разница является ключевым условием индуцирования токов. Асинхронные двигатели являются наиболее распространенными, поскольку надежны, экономичны, имеют высокую производительность и практически не требуют обслуживания.

Принцип работы

В асинхронном трехфазном двигателе при присоединении напряжения от трехфазной сети к обмотке статора создается вращающееся магнитное поле. Поскольку обмотка ротора замкнута либо внешним сопротивлением, либо напрямую концевым кольцом, она пересекает вращающееся магнитное поле статора. В результате в стержне или обмотке ротора индуцируется электродвижущая сила, благодаря которой ток проходит через проводник.

Поле, вращающееся в статоре, индуцирует ток в стержнях ротора. Электродвижущая сила запускает крутящий момент ротора. Скорость его вращения в асинхронном трехфазном двигателе всегда меньше скорости вращающегося поля. Эта разница называется проскальзыванием.

Положение магнитного поля в ядре статора фиксировано, но направление его вращения изменяется. Скорость, при которой происходит изменение направления вращения, определяется частотой напряжения питания. На частоте 50 Гц направление вращения изменяется 50 раз в секунду. Три фазы генерируют три магнитных поля в статоре, которые смещены на 120° относительно друг друга.

Кольцевой двигатель работает по закону электромагнитной индукции Фарадея. Когда обмотка статора возбуждается трехфазным переменным током, она создает переменное магнитное поле. Обмотка ротора индуцируется, и через нее начинает течь ток. Затем индуцированное электромагнитное поле создает крутящий момент, который приводит в движение ротор двигателя и увеличивает его скорость вращения.

Сам пуск двигателя с кольцевым ротором происходит за счет использования дополнительного сопротивления пускателя сопротивления. Такое решение позволяет снизить ток ротора и, следовательно, ток, который потребляется из сети. После завершения пуска происходит короткое замыкание обмотки ротора в результате работы соответствующего переключателя.

Благодаря возможности изменения сопротивления в цепи обмотки ротора можно также плавно изменять обороты двигателя. Увеличение сопротивления приводит к тому, что максимальный крутящий момент получает более низкие значения в результате больших потерь энергии в стартере и значительного снижения мощности при номинальных оборотах.

При использовании ступенчатых стартеров достигается скачкообразное изменение сопротивления. Это приводит к тому, что двигатель практически во всем диапазоне оборотов работает с максимальным крутящим моментом. Чтобы добиться увеличения оборотов двигателя, сопротивление уменьшается, что приводит к достижению номинальной скорости. Такой принцип работы кольцевого двигателя предусматривает уменьшение пускового тока и одновременное увеличение крутящего момента.

Многоскоростные двигатели имеют дополнительные обмотки, позволяющие изменять количество пар полюсов путем изменения соединений обмоток. Это происходит через контакторы или переключатель. Изменение передачи такого двигателя связано с изменением его мощности.

Когда обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания, магнитные поля от отдельных обмоток создают вращающееся симметричное магнитное поле. Его амплитуда постоянна и в 1,5 раза больше амплитуды поля одиночной обмотки.

Преимущества трехфазных асинхронных электромоторов

Трехфазные двигатели доминируют в тяжелой промышленности, где надежность, высокая мощность и эффективность имеют фундаментальное значение. Такие электродвигатели характеризуются более сложной конструкцией. Питание от трехфазного переменного тока обеспечивает более высокую мощность и энергоэффективность.

Асинхронные двигатели с контактным кольцом имеют свои преимущества и недостатки. Они отличаются стабильной работой, низкими эксплуатационными расходами и длительным сроком службы. Другими плюсами являются более низкий пусковой ток, возможность регулировки пускового момента в диапазоне до максимального оборота, а также возможность скольжения ротора. Кольцевые двигатели также характеризуются высокой отказоустойчивостью и универсальным применением. Вместе с тем они имеют меньшую эффективность и низкий коэффициент мощности по сравнению с двигателями с короткозамкнутым ротором.

Все еще существует значительная группа применений, в которых кольцевые двигатели широко используются. Это обусловлено свойствами этих силовых агрегатов, то есть способностью регулировать скорость и крутящий момент. Двигатели с кольцевыми роторами медленно вытесняются с рынка, но на данный момент широко используются в устройствах, где при малом пусковом токе требуется большой пусковой момент. Это различные промышленные установки, в основном:

• тяжелые машины,
• краны,
• подъемники,
• насосы большой мощности.

Трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором отличаются меньшими потерями энергии, улучшенными динамическими свойствами, а также легкостью управления, изменением направления вращения или более быстрым запуском. Варианты исполнения включают в себя широкий выбор агрегатов различной мощности и рабочих параметров от промышленных двигателей общего назначения до специальных двигателей, таких как морские, взрывозащищенные, с тормозной системой.

Самые современные электрические промышленные двигатели оснащены модулями возврата энергии в сеть и интеллектуальным управлением. Работой двигателей можно управлять дистанционно. Устройства сами прогнозируют возможность поломки и сообщают об этом оператору.

Наша компания – надежный поставщик оборудования. Мы предоставляем широкий ассортимент асинхронных трехфазных двигателей с доставкой во все регионы страны. Вы можете сделать заказ на выгодных условиях и получить лучшее импортное и отечественное оборудование по доступной цене.

🞢