Принцип на работа на асинхронния двигател

Асинхронният двигател е електрическа машина с променлив ток, която преобразува електрическата енергия в механична. Асинхронният двигател се използва широко в различни приложения от основни битови уреди до тежка промишленост. Машината има толкова много приложения, които е трудно да се преброят и можете да си представите мащаба, като знаете, че почти 30% от електрическата енергия, генерирана в световен мащаб, се изразходва от самите асинхронни двигатели. Тази невероятна машина е изобретена от великия учен Никола Тесла и това изобретение е променило трайно хода на човешката цивилизация.

Ето няколко приложения на еднофазни и трифазни асинхронни двигатели, които можем да намерим в ежедневието.

Приложения на еднофазни асинхронни двигатели:

• Електрически вентилатори в дома
• Сондажни машини
• Помпи
• Мелнички
• Играчки
• Прахосмукачка
• Изпускателни вентилатори
• Компресори и електрически самобръсначки

Приложения на трифазни асинхронни двигатели:

• Малки, средни и големи индустрии.
• Асансьори
• Кранове
• Шофиране на стругови машини
• Мелници за добив на нефт
• Роботизирани оръжия
• Конвейерна лентова система
• Тежки трошачки

На двигателите индукционни идват в различни размери и форми, които имат относителни характеристики и електрически рейтинги. Те варират от няколко сантиметра до няколко метра и имат мощност от 0,5Hp до 10000Hp. Потребителят може да избере най-подходящия от океана от модели, за да отговори на неговото / нейното търсене.

Вече обсъдихме Основите на двигателите и работата им в предишната статия. Тук ще обсъдим конструкцията и работата на асинхронния двигател в детайли.

Принцип на работа на асинхронния двигател

За да разберем принципа на работа на асинхронен двигател, нека първо разгледаме проста настройка, както е показано на фигурата.

Тук,

• Вземат се две железни или феритни сърцевини с еднакви размери и се окачват във въздуха на разстояние.
• Емайлирана медна тел е намотана върху горната сърцевина, последвана от долната и два края са отведени на една страна, както е показано на фигурата.
• Сърцевината тук действа като среда за пренасяне и концентриране на магнитния поток, генериран от намотката по време на работа.

Сега, ако свържем променлив източник на напрежение в двата края на медта, ще имаме нещо като по-долу.

По време на положителния цикъл на променлив ток:

Тук по време на първия полуцикъл положителното напрежение в точка „А“ постепенно преминава от нула до максимум и след това се връща към нула. През този период текущият поток в намотката може да бъде представен като.

Тук,

• По време на положителния цикъл на източника на променлив ток токът в двете намотки се увеличава постепенно от нула до максимум и след това постепенно се връща от максимум до нула. Това е така, защото според закона на Ома токът в проводника е право пропорционален на напрежението на клемите и ние го обсъждахме много пъти в предишни статии.
• Намотките се навиват по начин, по който токът и в двете намотки протича в една и съща посока и можем да видим същото, представено на диаграмата.

Сега нека си припомним закон, наречен закон на Ленц, който сме изучавали по-рано, преди да продължим напред. Според закона на Ленц, „ Проводник, носещ ток, ще генерира магнит, запълнен около повърхността му“,

и ако приложим този закон в горния пример, тогава ще се генерира магнитно поле от всеки контур в двете намотки. Ако добавим магнитен поток, генериран от цялата намотка, той ще получи значителна стойност. Целият този поток ще се появи върху желязната сърцевина, тъй като намотката е навита върху тялото на сърцевината.

За улеснение, ако начертаем линиите на магнитния поток, концентрирани върху желязната сърцевина от двата края, тогава ще имаме нещо като по-долу.

Тук можете да видите как магнитните линии се концентрират върху железните ядра и нейното движение през въздушната междина.

Този интензитет на потока е право пропорционален на тока, протичащ в намотките, навити върху двете железни тела. Така че по време на положителния полуцикъл потокът преминава от Нула на Максимум и след това намалява от Максимум на Нула. След като положителният цикъл завърши интензивността на полето във въздушната междина също достигне нула и след това ще имаме отрицателен цикъл.

По време на отрицателния цикъл на променлив ток:

По време на този отрицателен цикъл на синусоидалното напрежение, положителното напрежение в точка „В“ постепенно преминава от нула до максимум и след това се връща към нула. Както обикновено, поради това напрежение ще има токов поток и можем да видим посоката на този токов поток в намотките на фигурата по-долу.

Тъй като токът е линейно пропорционален на напрежението, неговата величина в двете намотки се увеличава постепенно от нула до максимум и след това намалява от максимум до нула.

Ако разгледаме закона на Ленц, тогава около бобините ще се появи магнитно поле поради потока на тока, подобен на случая, изследван в положителния цикъл. Това поле ще се концентрира в центъра на феритни ядра, както е показано на фигурата. Тъй като интензивността на потока е пряко пропорционална на тока, протичащ в намотките, навити върху двете железни тела, този поток също ще премине от Нула на Максимум и след това ще бъде намален от Максимум на Нула, следвайки величината на тока. Въпреки че това е подобно на положителен цикъл, има разлика и това е посоката на линиите на магнитното поле. Можете да наблюдавате тази разлика в посоката на потока на диаграмите.

След неговия отрицателен цикъл идва положителен цикъл, последван от друг отрицателен цикъл и той продължава така, докато AC синусоидалното напрежение не бъде премахнато. И поради този взаимозаменяем цикъл на напрежение, магнитното поле в центъра на железните сърцевини продължава да се променя както по величина, така и по посока.

В заключение, използвайки тази настройка,

• Разработили сме зона с концентрирано магнитно поле в центъра на железните сърцевини.
• Интензивността на магнитното поле във въздушната междина продължава да се променя както по величина, така и по посока.
• Полето следва формата на вълната на синусоидалното напрежение на променлив ток.

Закон на Фарадес за електромагнитната индукция

Тази настройка, която обсъждахме досега, е най-подходяща за реализиране на закона на Фарадес за електромагнитната индукция. Това е така, защото постоянно променящото се магнитно поле е най-основното и важно изискване за електромагнитната индукция.

Ние изучаваме този закон тук, защото асинхронният двигател работи на принципа на закона на Фарадей за електромагнитната индукция.

Сега, за да проучим явлението електромагнитна индукция, нека разгледаме настройката по-долу.

• Взема се проводник и се оформя в квадрат с двата края на късо съединение.
• В центъра на квадрата на проводника е фиксиран метален прът, който действа като оста на инсталацията.
• Сега квадратът на проводника може да се върти свободно по оста и се нарича ротор.
• Роторът е поставен в центъра на въздушната междина, така че кондукторният контур да изпита максималното поле, генерирано от роторните намотки.

Ние знаем съгласно закона на Фарадей за електромагнитната индукция, „ когато променливо магнитно поле прерязва метален проводник, тогава в проводника се индуцира ЕМП или напрежение“ .

Сега нека приложим този закон, за да разберем работата на асинхронен двигател:

• Съгласно този закон за електромагнитната индукция, ЕМП трябва да се индуцира в роторния проводник, поставен в центъра, поради променящото се магнитно поле, изпитвано от него.
• Поради тази индуцирана ЕМП и проводникът се късо съединяват, токът протича в целия контур, както е показано на фигурата.
• Тук идва ключът към работата на асинхронния двигател. Ние знаем, че според закона на Ленц проводник с ток генерира магнитно поле около него, чийто интензитет е пропорционален на големината на тока.
• Тъй като законът е универсален, тогава проводниковият контур на ротора трябва също да генерира магнитно поле, тъй като токът протича през него поради електромагнитна индукция.
• Ако наричаме магнитното поле, генерирано от намотки на статора и настройка на желязната сърцевина, като основен поток или поток на статора. Тогава можем да наречем магнитното поле, генерирано от проводника на ротора, като поток на ротора.
• Поради взаимодействието между основния поток и потока на ротора, роторът изпитва сила. Тази сила се опитва да се противопостави на EMF индукцията в ротора чрез регулиране на положението на ротора. Следователно по това време ще изпитаме движение в положението на вала.
• Сега магнитното поле продължава да се променя поради променливо напрежение, силата също така продължава да регулира положението на ротора непрекъснато без спиране.
• Така роторът продължава да се върти поради променливо напрежение и по този начин имаме механичен изход на вала или оста на ротора.

С това видяхме как поради електромагнитната индукция в ротора имаме механичен изход на вала. Така че името, дадено за тази настройка, се нарича асинхронен двигател.

Досега обсъждахме принципа на работа на асинхронния двигател, но не забравяйте, че както теорията, така и практиката са различни. А за работа на асинхронен двигател е необходима допълнителна настройка, която ще обсъдим по-долу.

Еднофазен асинхронен двигател

Асинхронният двигател, който работи на еднофазно променливотоково захранване, се нарича еднофазен асинхронен двигател.

Електропроводната линия, достъпна за нас в домовете, е еднофазна електропроводна мрежа с напрежение 240V / 50Hz, а индукционните двигатели, които използваме в ежедневния си живот в домовете си, се наричат ​​еднофазни асинхронни двигатели.

За по-добро разбиране на принципа на работа на еднофазен асинхронен двигател, нека разгледаме конструкцията на еднофазен асинхронен двигател.

Тук,

• Ще вземем множество проводници и ще ги монтираме върху свободно въртящия се вал, както е показано на фигурата.
• Също така ще съкратим краищата на всички проводници с метален пръстен, като по този начин ще създадем множество контури, които сме изучавали по-рано.
• Тази настройка на ротора изглежда като клетка от катерица от по-близък поглед и следователно тя се нарича асинхронен двигател с катерица. Тук нека да разгледаме 3D структурата на ротора на клетката на катерица.

• Статорът, който се счита за цялостно железно парче, всъщност е група от тънки железни листове, подредени заедно. Те са толкова плътно притиснати, че буквално няма да има въздух помежду им. Използваме купчина железни листове вместо единично желязно парче по същата причина, поради която използваме валцувани железни листове в случай на силов трансформатор, който има за цел да намали загубите на желязо. Използвайки метода на подреждане, ще намалим значително загубата на мощност, като същевременно запазим същите характеристики.

Работата на тази настройка е подобна на настройката, използвана при обяснение на принципа на работа на асинхронния двигател.

• Първо ще осигурим променливото напрежение и поради това напрежение токът протича през намотката на статора, навита както на горния, така и на долния сегмент.
• Поради тока се генерира магнитно поле както на горната, така и на долната намотка.
• По-голямата част от железните листове действа като основна среда за пренасяне на магнитното поле, генерирано от намотките.
• Това променливо магнитно поле, носено от желязната сърцевина, се концентрира в централната въздушна междина поради преднамерения структурен дизайн.
• Сега, тъй като роторът е поставен в тази въздушна междина, късите проводници, фиксирани върху ротора, също изпитват това променливо поле.
• Поради полето в проводниците на ротора се индуцира ток.
• Тъй като токът преминава през роторните проводници, магнитно поле също ще се генерира около ротора.
• При взаимодействието между генерираното магнитно поле на ротора и магнитното поле на статора, роторът изпитва сила.
• Тази сила движи ротора по оста и по този начин ще имаме въртеливо движение.
• Тъй като напрежението непрекъснато се променя синусоидално напрежение, роторът също продължава да се върти непрекъснато по оста си. По този начин ще имаме непрекъснат механичен изход за дадено еднофазно входно напрежение.

Въпреки че сме приели, че роторът ще се завърти автоматично, след като мощността бъде дадена на еднофазния двигател, което не е така. Тъй като полето, генерирано от еднофазен асинхронен двигател, е променливо магнитно поле, а не въртящо се магнитно поле. Така в началото на двигателя роторът се блокира в своето положение, тъй като силата, изпитвана от него поради долната бобина и горната бобина, ще бъде със същата величина и противоположна по посока. Така че в началото нетната сила, изпитвана от ротора, е нула. За да избегнем това, ще използваме спомагателна намотка за асинхронния двигател, за да го направим самозадвижващ се двигател. Тази спомагателна намотка ще осигури необходимото поле, за да накара ротора да се движи в началото. Примерът за този случай е електрическият вентилатор, който виждаме в ежедневието си,който е кондензаторен старт и работи с асинхронен двигател със спомагателна намотка, свързан последователно с кондензатора.

Трифазен асинхронен двигател

Асинхронният двигател, който работи на трифазна променлива електрическа мощност, се нарича трифазен асинхронен двигател. Обикновено трифазните асинхронни двигатели се използват в промишлеността и не са подходящи за домашни приложения.

Електропроводът, предлаган за индустрии, е 400V / 50Hz Трифазен четирилинеен променлив ток, а индукционните двигатели, които работят на това захранване в индустриите, се наричат ​​трифазни асинхронни двигатели.

За по-добро разбиране на принципа на работа на трифазния асинхронен двигател нека разгледаме конструкцията на трифазен асинхронен двигател.

Тук,

• Фаза А намотката започва от горния сегмент, последван от долния сегмент, както е показано на фигурата.
• Що се отнася до двата края на фаза, един намотаващ е свързан към фаза А на електропровода на трифазно захранване, докато другият край е свързан към неутралата на същите три фази четирилинейно захранване. Това е възможно, тъй като при трифазно четирилинейно захранване имаме първите три линии, носещи трилинейни напрежения, докато четвъртата линия е неутрална.
• Останалите двуфазни намотки следват същия модел като фаза А. В двата края на фаза В намотката едната е свързана към фазовата електропроводна линия на трифазно захранване, докато другият край е свързан към неутралата на същите три фази четириредово захранване.
• Структурата на ротора е подобна на клетка с катерица и е същия тип ротор, който се използва в еднофазен асинхронен двигател.

Сега, ако осигурим електрическата мощност към трифазните намотки на статора, тогава токът започва да тече и в трите намотки. Поради този токов поток от бобините ще се генерира магнитно поле и това поле ще тече през по-малко магнитно съпротивление, осигурено от ламинираната сърцевина. Тук структурата на двигателя е така проектирана, че магнитното поле, пренасяно от сърцевината, се концентрира върху въздушната междина в центъра, където е поставен роторът. Така че магнитното поле, концентрирано от сърцевината в централната междина, влияе върху проводниците в ротора, като по този начин индуцира ток в тях.

В присъствието на ток на проводник, роторът също така генерира магнитно поле, което взаимодейства със статорното поле по всяко време. И поради това взаимодействие роторът изпитва сила, която води до въртене на двигателя.

Тук магнитното поле, генерирано от статора, е от въртящ се тип поради трифазна мощност, за разлика от променливия тип, който обсъдихме в еднофазен двигател. И поради това въртящо се магнитно поле, роторът започва да се върти сам по себе си дори при липса на първоначално натискане. Това прави трифазния двигател самозадвижващ се тип и не се нуждаем от помощна намотка за този тип двигател.