Принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель - это электрическая машина переменного тока, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Асинхронный двигатель широко используется в различных областях, от основных бытовых приборов до тяжелой промышленности. У машины так много применений, что трудно сосчитать, и вы можете представить масштаб, зная, что почти 30% электроэнергии, производимой во всем мире, потребляется самими асинхронными двигателями. Эта удивительная машина была изобретена великим ученым Николой Тесла, и это изобретение навсегда изменило ход человеческой цивилизации.

Вот несколько применений однофазных и трехфазных асинхронных двигателей, которые мы можем найти в повседневной жизни.

Применение однофазных асинхронных двигателей:

• Электровентиляторы в доме
• Сверлильные станки
• Насосы
• Шлифовальные машины
• Игрушки
• Пылесос
• Вытяжные вентиляторы
• Компрессоры и электробритвы

Применение трехфазных асинхронных двигателей:

• Малые, средние и крупные производства.
• Лифты
• Краны
• Станки токарные приводные
• Маслоэкстракционные заводы
• Роботизированные руки
• Ленточная конвейерная система
• Тяжелые дробилки

В индукционных двигателях бывают разных размеров и форм, имеющие относительные возможности и электрические характеристики. Они различаются по размеру от нескольких сантиметров до нескольких метров и имеют номинальную мощность от 0,5 до 10000 л.с. Пользователь может выбрать наиболее подходящую из множества моделей для удовлетворения своего спроса.

Мы уже обсуждали «Основы двигателей» и их работу в предыдущей статье. Здесь мы подробно обсудим конструкцию и работу асинхронного двигателя.

Принцип работы асинхронного двигателя

Чтобы понять принцип работы асинхронного двигателя, давайте сначала рассмотрим простую установку, показанную на рисунке.

Вот,

• Берутся два железных или ферритовых сердечника одинаковых размеров и подвешиваются в воздухе на некотором расстоянии.
• Эмалированный медный провод наматывается на верхнюю жилу, затем на нижнюю и два конца отводятся в сторону, как показано на рисунке.
• Сердечник здесь действует как среда для переноса и концентрации магнитного потока, генерируемого катушкой во время работы.

Теперь, если мы подключим источник переменного напряжения к двум концам меди, у нас будет что-то вроде ниже.

Во время положительного цикла переменного тока:

Здесь в течение первого полупериода положительное напряжение в точке «А» будет постепенно повышаться от нуля до максимума, а затем возвращается к нулю. В этот период ток в обмотке можно представить как.

Вот,

• Во время положительного цикла источника питания переменного тока ток в обеих обмотках постепенно увеличивается от нуля до максимума, а затем постепенно возвращается от максимума к нулю. Это связано с тем, что согласно закону Ома ток в проводнике прямо пропорционален напряжению на клеммах, и мы много раз обсуждали это в предыдущих статьях.
• Обмотки намотаны таким образом, что ток в обеих обмотках течет в одном направлении, и мы можем видеть то же самое, что показано на схеме.

Теперь давайте вспомним закон, называемый законом Ленца, который мы изучили ранее, прежде чем двигаться дальше. Согласно закону Ленца, « проводник, по которому течет ток, будет генерировать магнитное поле вокруг своей поверхности»,

и если мы применим этот закон в приведенном выше примере, то магнитное поле будет генерироваться каждой петлей в обеих катушках. Если мы добавим магнитный поток, генерируемый всей катушкой, то он получит значительное значение. Весь этот поток появится на железном сердечнике, так как катушка была намотана на корпус сердечника.

Для удобства, если мы нарисуем линии магнитного потока, сосредоточенные на железном сердечнике с обоих концов, то у нас будет что-то вроде ниже.

Здесь вы можете увидеть, как магнитные линии концентрируются на железных сердечниках и перемещаются через воздушный зазор.

Эта интенсивность потока прямо пропорциональна току, протекающему в катушках, намотанных на обоих железных телах. Таким образом, во время положительного полупериода поток изменяется от нуля до максимума, а затем снижается с максимума до нуля. После того, как положительный цикл завершится, напряженность поля в воздушном зазоре также достигнет нуля, и после этого у нас будет отрицательный цикл.

Во время отрицательного цикла переменного тока:

Во время этого отрицательного цикла синусоидального напряжения положительное напряжение в точке «B» будет постепенно повышаться от нуля до максимума, а затем возвращается к нулю. Как обычно, из-за этого напряжения будет течь ток, и мы можем видеть направление этого тока в обмотках на рисунке ниже.

Поскольку ток линейно пропорционален напряжению, его величина в обеих обмотках постепенно увеличивается от нуля до максимума, а затем снижается от максимума до нуля.

Если мы рассмотрим закон Ленца, то магнитное поле появится вокруг катушек из-за протекания тока, как и в случае, изученном в положительном цикле. Это поле будет сконцентрировано в центре ферритовых сердечников, как показано на рисунке. Поскольку интенсивность потока прямо пропорциональна току, протекающему в катушках, намотанных на обоих железных телах, этот поток также будет изменяться от нуля до максимума, а затем снижаться с максимума до нуля в зависимости от величины тока. Хотя это похоже на положительный цикл, есть разница, и это направление силовых линий магнитного поля. Вы можете наблюдать эту разницу в направлении потока на диаграммах.

После его отрицательного цикла следует положительный цикл, за которым следует другой отрицательный цикл, и так продолжается до тех пор, пока синусоидальное напряжение переменного тока не будет снято. И из-за этого цикла смены напряжения магнитное поле в центре на железных сердечниках постоянно меняется как по величине, так и по направлению.

В заключение, используя эту настройку,

• Мы разработали область сосредоточения магнитного поля в центре железных сердечников.
• Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре постоянно меняется как по величине, так и по направлению.
• Поле повторяет синусоидальную форму волны переменного напряжения.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Эта схема, которую мы обсуждали до сих пор, лучше всего подходит для реализации закона электромагнитной индукции Фарадея. Это связано с тем, что постоянно меняющееся магнитное поле является самым основным и важным требованием для электромагнитной индукции.

Мы изучаем этот закон здесь, потому что асинхронный двигатель работает по принципу закона электромагнитной индукции Фарадея.

Теперь, чтобы изучить явление электромагнитной индукции, давайте рассмотрим установку ниже.

• Берется проводник и формируется квадрат с закороченными концами.
• Металлический стержень закреплен в центре квадрата проводника, который действует как ось установки.
• Теперь квадратный проводник может свободно вращаться вдоль оси и называется ротором.
• Ротор размещается в центре воздушного зазора, так что проводящая петля может испытывать максимальное поле, создаваемое катушками ротора.

Мы знаем, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, « когда изменяющееся магнитное поле разрезает металлический проводник, в проводнике индуцируется ЭДС или напряжение» .

Теперь давайте применим этот закон, чтобы понять работу асинхронного двигателя:

• Согласно этому закону электромагнитной индукции, ЭДС должна индуцироваться в проводнике ротора, расположенном в центре, из-за изменяющегося магнитного поля, на которое он воздействует.
• Из-за этой наведенной ЭДС и короткого замыкания проводника по всему контуру протекает ток, как показано на рисунке.
• Вот ключ к работе асинхронного двигателя. Мы знаем, что в соответствии с законом Ленца проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна величине тока.
• Поскольку закон универсален, контур проводника ротора также должен генерировать магнитное поле, потому что через него течет ток из-за электромагнитной индукции.
• Если мы назовем магнитное поле, создаваемое обмотками статора и установкой с железным сердечником, как основной поток или поток статора. Тогда мы можем назвать магнитное поле, создаваемое токопроводящей петлей ротора, потоком ротора.
• Из-за взаимодействия между основным потоком и потоком ротора на ротор действует сила. Эта сила пытается противодействовать индукции ЭДС в ротор, регулируя положение ротора. Следовательно, в это время мы увидим движение вала.
• Теперь магнитное поле продолжает меняться из-за переменного напряжения, сила также постоянно регулирует положение ротора без остановки.
• Таким образом, ротор продолжает вращаться из-за переменного напряжения, и, таким образом, мы имеем механический выход на валу или оси ротора.

При этом мы увидели, как из-за электромагнитной индукции в роторе у нас есть механический выход на валу. Таким образом, название, данное этой установке, называется асинхронным двигателем.

До сих пор мы обсуждали принцип работы асинхронного двигателя, но помните, что теория и практика различны. А для работы асинхронного двигателя требуется дополнительная настройка, о которой мы поговорим ниже.

Однофазный асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель, работающий от однофазного переменного тока, называется однофазным асинхронным двигателем.

Линия электропередачи, доступная для нас дома, - это однофазная линия переменного тока 240 В / 50 Гц, а индукционные двигатели, которые мы используем в повседневной жизни в наших домах, называются однофазными индукционными двигателями.

Чтобы лучше понять принцип работы однофазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим конструкцию однофазного асинхронного двигателя.

Вот,

• Мы возьмем несколько проводов и установим их на свободно вращающийся вал, как показано на рисунке.
• Кроме того, мы закоротим концы всех проводников металлическим кольцом, создав петли из нескольких проводников, которые мы изучили ранее.
• Эта установка ротора при ближайшем рассмотрении выглядит как беличья клетка и поэтому называется асинхронным двигателем с беличьей клеткой. Давайте посмотрим на трехмерную структуру ротора с короткозамкнутым ротором.

• Статор, который считался цельным куском железа, на самом деле представляет собой группу тонких листов железа, сложенных вместе. Они так плотно прижаты друг к другу, что между ними буквально не будет воздуха. Мы используем стопку железных листов вместо одной железной детали по той же причине, по которой мы используем прокатные железные листы в случае силового трансформатора, чтобы уменьшить потери в стали. Используя метод стекирования, мы значительно снизим потери мощности при сохранении производительности.

Работа этой установки аналогична установке, используемой для объяснения принципа работы асинхронного двигателя.

• Сначала мы обеспечим переменное напряжение, и из-за этого напряжения ток течет через обмотку статора, намотанную как на верхнем, так и на нижнем сегментах.
• Из-за тока магнитное поле создается как на верхней, так и на нижней обмотке.
• Большая часть листов железа действует как сердечник, переносящий магнитное поле, создаваемое катушками.
• Это переменное магнитное поле, переносимое железным сердечником, концентрируется в центральном воздушном зазоре из-за намеренной конструкции.
• Теперь, поскольку ротор помещен в этот воздушный зазор, закороченные проводники, закрепленные на роторе, также испытывают это переменное поле.
• Из-за поля в проводниках ротора индуцируется ток.
• Поскольку ток проходит через проводники ротора, вокруг ротора также создается магнитное поле.
• При взаимодействии между генерируемым магнитным полем ротора и магнитным полем статора на ротор действует сила.
• Эта сила перемещает ротор вдоль оси и, таким образом, мы получаем вращательное движение.
• Поскольку напряжение постоянно изменяется по синусоидальной форме, ротор также продолжает непрерывно вращаться вдоль своей оси. Таким образом, у нас будет непрерывный механический выход для заданного однофазного входного напряжения.

Хотя мы предполагали, что ротор будет вращаться автоматически после подачи питания на однофазный двигатель, это не так. Поскольку поле, создаваемое однофазным асинхронным двигателем, представляет собой переменное магнитное поле, а не вращающееся магнитное поле. Таким образом, при запуске двигателя ротор блокируется в своем положении, потому что сила, испытываемая им из-за нижней и верхней катушек, будет одинаковой величины и противоположного направления. Таким образом, вначале результирующая сила, испытываемая ротором, равна нулю. Чтобы избежать этого, мы будем использовать вспомогательную обмотку для асинхронного двигателя, чтобы сделать его самозапускающимся. Эта вспомогательная обмотка создаст необходимое поле для запуска ротора. Примером для этого случая является электрический вентилятор, который мы видим в повседневной жизни,который представляет собой конденсаторный пуск и запускает асинхронный двигатель со вспомогательной обмоткой, включенной последовательно с конденсатором.

Трехфазный асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель, работающий от трехфазного переменного тока, называется трехфазным асинхронным двигателем. Обычно трехфазные асинхронные двигатели используются в промышленности и не подходят для домашнего использования.

Линия электропитания, доступная для промышленности, составляет 400 В / 50 Гц. Трехфазные четырехлинейные двигатели переменного тока и индукционные двигатели, которые работают от этого источника питания в отраслях, называются трехфазными асинхронными двигателями.

Чтобы лучше понять принцип работы трехфазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим конструкцию трехфазного асинхронного двигателя.

Вот,

• Обмотка фазы A начинается с верхнего сегмента, за которым следует нижний сегмент, как показано на рисунке.
• Что касается двух концов фазы, одна обмотка подключена к силовой линии фазы A трехфазного источника питания, а другой конец подключен к нейтрали тех же трех фаз четырехлинейного источника питания. Это возможно, потому что в трехфазном четырехлинейном источнике питания у нас есть первые три линии, несущие три линейных напряжения, а четвертая линия является нейтральной.
• Другие двухфазные обмотки следуют той же схеме, что и фаза A. На двух концах обмотки фазы B одна подключена к силовой линии фазы B трехфазного источника питания, а другой конец подключен к нейтрали тех же трех фаз. четырехлинейный блок питания.
• Конструкция ротора похожа на короткозамкнутый ротор и представляет собой тот же тип ротора, который используется в однофазном асинхронном двигателе.

Теперь, если мы подадим электроэнергию на трехфазные обмотки статора, тогда ток начнет течь по всем трем обмоткам. Из-за этого протекания тока катушками будет создаваться магнитное поле, и это поле будет проходить через путь с меньшим магнитным сопротивлением, обеспечиваемый многослойным сердечником. Здесь конструкция двигателя сконструирована таким образом, что магнитное поле, переносимое сердечником, концентрируется в воздушном зазоре в центре, где расположен ротор. Таким образом, магнитное поле, сконцентрированное сердечником в центральном зазоре, влияет на проводники в роторе, вызывая в них ток.

При наличии тока в проводнике ротор также создает магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора в любой момент времени. И из-за этого взаимодействия на ротор действует сила, которая приводит к вращению двигателя.

Здесь магнитное поле, создаваемое статором, имеет вращающийся тип из-за трехфазного питания, в отличие от переменного типа, который мы обсуждали в однофазном двигателе. И из-за этого вращающегося магнитного поля ротор начинает вращаться сам по себе даже при отсутствии начального толчка. Это делает трехфазный двигатель самозапускающимся типом, и нам не нужна дополнительная обмотка для этого типа двигателя.