Электрическая характеристика асинхронного двигателя

Конструкция АД включает две главных основные части, это: неподвижный статор и вращающийся в нем – ротор. Между ними существует, разделяющий их воздушный зазор. И ротор, и статор имеют обмотку. Обмотка статора двигателя подключается к электрической сети переменного напряжения и считается первичной. Обмотка ротора считается вторичной, так получает электроэнергию от статора за счет создаваемого магнитного потока.

Корпус статора, который является одновременно корпусом всего электродвигателя, состоит из запрессованного в него сердечника, в его пазы укладываются, изолированные друг от друга электротехническим лаком, проводники обмотки. Его обмотка подразделяется на секции, соединяемые в катушки, составляющих фазы двигателя к которым подключены фазы электросети.

Конструкция ротора АД включает вал и сердечник, набранный из пластин электротехнической стали, с симметрично расположенными пазами для укладки проводников обмотки. Вал предназначен для передачи крутящего момента от вала двигателя к приводному механизму.

По конструктивным особенностям ротора, электродвигатели подразделяются на двигатель с короткозамкнутым или фазным ротором.

Короткозамкнутый ротор состоит из алюминиевых стержней, которые расположены в сердечнике и замкнуты на торцах кольцами так называемое беличье колесо. В двигателях высокой мощности, до 400 кВт, пазы между пластинами ротора и шихтованным сердечником залиты алюминием под высоким давлением, благодаря чему создается повышенная прочность.

Фазный ротор АД включает некоторое число катушек от 3, 6, 9 и т. д., в зависимости от количества пар полюсов. Катушки сдвинуты на угол 120о, 60о и т. д. по отношению друг к другу. Количество пар полюсов ротора должны соответствовать количеству пар полюсов статора. Обмотки фазного ротора соединены в «звезду», концы, которой выводят к контактным токосъемным кольцам, соединенным с помощью щеточного механизма пусковым реостатом.

Сравнение синхронного и асинхронного двигателей

В завершение можно подвести итог, в чем главные отличия асинхронных (АД) и синхронных (СД) моторов.

Выделим базовые моменты:

1. Ротору асинхронных моторов не требуется питание по току, а индукция на полюсах зависит от статорного магнитного поля.
2. Обороты АД под нагрузкой отстают на 1-8% от скорости вращения поля статора. В СД количество оборотов одинаково.
3. В «синхроннике» предусмотрена обмотка возбуждения.
4. Конструктивно ротор СД представляет собой магнит: постоянный, электрический. У АД магнитное поле в роторном механизме наводится с помощью индукции.
5. У синхронной машины нет пускового момента, поэтому для достижения синхронизации нужен асинхронный пуск.
6. «Синхронники» применяются в случаях, когда необходимо обеспечить непрерывность производственного процесса и нет необходимости частого перезапуска. АД нужны там, где требуется большой пусковой момент и имеют место частые остановки.
7. СД нуждается в дополнительном источнике тока.
8. «Асинхронники» медленнее изнашиваются, ведь в их конструкции нет контактных колец со щетками.
9. Для АД, как правило, характерно не круглое количество оборотов, а для СД — округленное.

Устройство асинхронного двигателя

Понятие асинхронный означает не совпадающий по времени, неодновременный. В связи с этим, ротор такого двигателя вращается с частотой, меньшей чем частота вращения электромагнитного поля статора.

Подобное отставание называется скольжением и обозначается символом S в формуле, применяемой для расчетов:

• S = (n1 – n2)/n1 – 100%, где n1 является синхронной частотой магнитного поля статора, а n2 – частотой вращения вала.

Конструктивно, стандартный асинхронный электродвигатель включает в себя следующие элементы и детали:

• Статор с обмотками. Эту функцию также может выполнять станина, внутри которой помещается статор с обмотками.
• Короткозамкнутый ротор. Если используется фазный – он может называться якорем или коллектором.
• Подшипники различного типа – качения или скольжения. На двигателях повышенной мощности в передней части установлены крышки для подшипников с уплотнениями.
• Металлический или пластмассовый охлаждающий вентилятор, помещенный в кожух с прорезями для подачи воздуха.
• Подключение кабелей осуществляется с помощью клеммной коробки.

Данные конструктивные элементы могут незначительно изменяться, в зависимости от модификации электродвигателя.

Как уже отмечалось, асинхронные двигатели бывают трехфазными или однофазными. Первый вариант, в свою очередь, выпускается с короткозамкнутым или фазным ротором. Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, поэтому их следует рассмотреть более подробно.

Статор обладает круглой формой и собирается из специальных стальных листов, изолированных между собой. В результате, конструктивно образуется сердечник с пазами, в которые укладываются обмотки. Для этих целей используется обмоточный медный провод, изолированный лаком. В мощных агрегатах обмотки делаются в виде шины. При укладке они сдвигаются между собой на 120 градусов. Соединение осуществляется по схеме звезды или треугольника.

Конструкция самого короткозамкнутого ротора изготавливается в виде вала с надетыми на него стальными листами. Этот набор листов образует сердечник с пазами, заливаемые расплавленным алюминием. Равномерно растекаясь по пазам, алюминий образует стержни, края которых замыкают алюминиевые кольца.

Фазный ротор состоит из вала с сердечником и трех обмоток. С одного конца они соединяются звездой, а с другого – соединяются с токосъемными кольцами, на которые с помощью щеток подается электрический ток. Во время запуска образуется большой пусковой ток асинхронного двигателя. Его можно уменьшить путем добавления к фазным обмоткам нагрузочного реостата.

Бирка (шильдик) электродвигателя

Осмотрев любой, за редким исключением, электродвигатель можно обнаружить табличку, привинченную на болты, саморезы или же заклепки. Что же написано на данном куске металла? Возьмем шильдик, заменив на нем заводской номер на название сайта.

Кстати, редко бывает, что табличка на электрооборудование находится в таком, почти идеальном состоянии. Часто данные выцветают или замазаны краской, ведь задача стоит для обслуживающего персонала покрасить двигатель, а не покрасить двигатель, оставив табличку нетронутой. Но, нам повезло. Пойдем по-порядку.

Первая строчка — число фаз и тип тока (3

), заводской номер, частота сети, форма исполнения и монтажа, класс изоляции

Вторая строчка — тип электродвигателя, косинус фи, возможные схемы соединения, номинальная частота вращения

Третья строчка — возможные номинальные напряжения, номинальная мощность, IP — степень защиты электродвигателя, масса, режим работы электродвигателя (S1).

Четвертая строчка — номинальные токи в зависимости от схемы включения обмоток, далее какому госту соответствует эд.

Рассмотрим отдельные параметры более подробно.

Мощность электродвигателя: полная, активная и на валу

Формула для расчета мощности трехфазного асинхронного двигателя:

S1 — полная мощность, потребляемая двигателем из сети

P1 — активная мощность, потребляемая электродвигателем из сети (указана на шильдике)

P — активная мощность на валу ЭД.

cosf — косинус фи, коэффициент мощности — угол сдвига фаз между активной (P) и полной мощностью (S).

В формулах выше, значение мощности получится в Вт, значение полной мощности в ВА. Чтобы перевести в киловатты необходимо получившееся значение разделить на тысячу. Значение тока и напряжения соответственно в формуле выше в амперах и вольтах.

I1 и U1 — линейные значения тока и напряжения, их еще называют междуфазными. Не стоит путать с фазными. Линейные — это АВ, ВС, СА (380); фазные — АО, ВО, СО (220). Если выразить формулы мощностей через фазные значения тока и напряжения, то вместо корня из трех вначале будет коэффициент 3. Этот коэффициент определяется наглядно через векторную диаграмму трехфазного напряжения.

Для двигателей постоянного тока формула будет просто произведение напряжения на зажимах двигателя умножить на ток, потребляемые двигателем из сети.

Потребляемая мощность p1 больше мощности на валу ЭД из-за потерь, которые возникают при преобразовании электрической энергии в механическую.

Звезда/Треугольник и 220/380, 380/660

Смотреть все значения по порядку как они идут через дробь. То есть написано на шильде Y/D ( треугольник/звезда), значит и токи, напряжения соответственно будут сначала для Y, а после дроби для звезды. Единственно, нюанс, что при 220/380 — треугольник будет 220, А при 380/660 — треугольник будет 380. То есть говорить, что 380 — это всегда звезда — неверно.

Всегда изучайте табличку на движке перед подключением.

Достоинства при подключении звездой и треугольником абстрактны, так как каждая схема имеет свои области применения:

• Y — меньше рабочий и пусковой ток, больше напряжение, меньше пусковой момент, меньше греется
• D — больше пусковой момент, пусковой ток, но и больше греется.

Бывают двухскоростные двигатели, где сначала запускаются на звезде, А потом переходят на треугольник. В таком случае механизм легче запускается, А потом работает с большей мощностью.

При подключении трехфазного двигателя на 220В, где есть лишь фаза и ноль, можно прибегнуть к схеме с конденсаторами.

Форма исполнения и способ монтажа

IM 1081 — форма исполнения и способ монтажа согласно ГОСТ 2479 и МЭК60034-5. В нашем примере это обозначает “на лапах с двумя подшипниковыми щитами, с одним циллиндрическим концом вала”.

Это название состоит из латинских букв IM и четырех чисел.

Первая цифра от 1 до 9 — конструктивный способ исполнения

Вторая и третья (00. 99) — способ монтажа

Четвертая (0..9) — условное обозначение конца вала.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

КПД показывает эффективность преобразования электродвигателем электрической энергии, которую он берет из сети, в механическую энергию вращения механизма.

Если бы не было потерь при передаче энергии, то КПД равнялся бы 100%. Однако, такого не существует. Однако, существуют виды потерь, которые уменьшают величину коэффициента:

• потери от нагрева проводников с током при увеличении нагрузки — электрические потери
• потери на вихревые токи, гистерезис в шихтованных статорах — магнитные потери
• потери на трение подшипников, вентиляцию — механические потери
• плюс различные дополнительные менее важные виды потерь.

Часто, но не всегда, чем выше скорость вращения электродвигателя, тем больше его КПД. Это связано с зависимостью КПД и скольжения ЭД. Существуют классы согласно величины КПД по ГОСТ IEC/TS 60034-31—2015: IE1, IE2, IE3, IE4.

Классы изоляции двигателей по нагревостойкости

Здесь нам на помощь придет ГОСТ 8865-93. Класс изоляции электрических машин характеризует максимальную температуру при номинальных параметрах. То есть в нашем примере при номинальных данных с таблички, температура изоляции не должна превышать 155 градусов.

Приведу данные допустимых температур электродвигателей для разных классов изоляции. Следует учитывать, что материалы могут иметь различные классы.

• Y — 90
• A — 105
• E — 120
• B — 130
• F — 155
• H — 180

Далее идут цифровые классы: 200, 220, 250 — а после них плюс 25 градусов с обозначением класса согласно допустимого значения температуры.

Данные температуры определены опытным путем при работе на номинальных параметрах на протяжении срока эксплуатации до величин, при которых увеличивается тангенс дельта и уменьшается напряжение пробоя.

Асинхронный двигатель — общий взгляд

Статистику наиболее широко используемых электрических моторов возглавляет именно трехфазный асинхронный двигатель.

Асинхронные моторы богатым ассортиментом присутствуют на рынке. Но какая из машин выглядит лучшей в техническом плане или применительно к условиям использования?

Практически 80% механических мощностей, используемых всеми отраслями экономики, обеспечиваются трехфазными асинхронными двигателями.

Деловая ставка на этот вид электрических машин обусловлена:

• простой надёжной конструкцией,
• низкой стоимостью,
• хорошими рабочими характеристиками,
• отсутствием сложных схем коммутации,
• возможностями регулирования скорости.

Асинхронным называют двигатель по причине очевидной. Вращательный момент такой конструкции не даёт стабильной синхронности движения.

Мощность трехфазного асинхронного двигателя транспортируется от статора к ротору посредством индуктивной связи.

Конструктивный расклад: 1 — крышка корпуса передняя; 2 — стержень вала; 3 — арматура; 4 — лопасти захвата воздуха для охлаждения; 5 — сердечник; 6 — рама; 7 — клеммная коробка; 8 — крышка корпуса задняя

Электрическая машина наделена двумя основными деталями конструкции:

1. Статор.
2. Ротор.

Статор — стационарная часть конструкции с обмотками медным проводом, на которые подается трехфазный электрический ток.

Ротор — подвижная деталь конструкции (создаёт момент вращения). Передаёт механическое усилие нагрузке через стальной вал. Ротор трехфазного асинхронного двигателя классифицируется двумя видами:

1. Короткозамкнутый.
2. Фазный (фазовращающий, токосъёмный, раневой).

Соответственно, в зависимости от вида конструкции детали, трехфазный асинхронный двигатель классифицируется как:

1. Мотор короткозамкнутого действия.
2. Мотор фазного действия.

Конструкция статора для обоих видов двигателей, при этом, остаётся неизменной.

Набор основных деталей классической конструкции, которая встречается повсеместно. В зависимости от мощности могут изменяться лишь габаритные размеры компонентов

Другими частями — составляющими конструкции, являются: стальной вал, подшипники, крыльчатка охлаждения, клеммная коробка.

Особенности конструкции статора

Конструкция статора трехфазного асинхронного двигателя содержит трех базовых компонента:

1. Раму.
2. Сердечник.
3. Обмотки возбуждения.

Статор выступает частью корпуса трехфазного асинхронного двигателя. Его основная функция — крепление сердечника статора и проводную намотку.

Внешняя область статора выполняет функцию покрытия, обеспечивает защиту и механическую прочность внутренним частям асинхронного двигателя.

Рама статора изготовлена из литой или свариваемой стали. Каркас трехфазного асинхронного двигателя нуждается в прочности и жесткости. Длина воздушного зазора между рамой и ротором очень мала.

Если не обеспечить прочность и жёсткость конструкции, нарушается концентрическое положение ротора. Такое состояние приведет к разбросу баланса магнитного натяжения.

Основная функция сердечника статора — перенос переменного магнитного потока. С целью уменьшения потерь вихревых токов, сердечник статора ламинируется. Создаются наслоённые тиснения толщиной около 0,4-0,5 мм.

Статорный сердечник — по сути, набор из многочисленных металлических пластин, плотно спрессованных друг с другом. Для намотки медного провода оставлены слоты

Все тиснения спрессованы в единое целое, образуя сердечник статора, жёстко скрепленный рамой. Штамповка обычно содержит элементы кремниевой стали, что способствует уменьшению гистерезисных потерь при работе двигателя.

Виды асинхронных моторов

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором претендует на лидерство среди всех видов моторов переменного тока. Это оборудование часто используется для нужд промышленности.

Практика применения показала главные свойства этого вида электродвигателей:

• низкая рыночная стоимость,
• надежность эксплуатации,
• эффективность работы,
• низкие требования в обслуживании.

Другой вид оборудования – асинхронный двигатель с токосъёмными кольцами (с фазным якорем), отличается куда меньшей потребностью применения в промышленности.

Мотор с токосъёмником: 1 — статорный сердечник; 2 — корпус (рама); 3 — кронштейн; 4 — вал; 5 — подшипник; 6 — якорь; 7 — группа щёток; 8 — устройство коммутации

Не более 5% — 10% моторов с токосъёмными кольцами используются в индустрии.

Объясняется этот момент следующими конструктивными недостатками асинхронных моторов с фазным вращением:

• потребность частого обслуживания,
• значительный расход меди,
• сложность конструкции для ремонта.

Различия между видами асинхронных моторов

Одним из ярко выраженных различий между фазными и короткозамкнутыми двигателями видится фактор управления.

Электродвигатель, наделённый фазным токосъёмником, допускает включение в цепь внешнюю нагрузку (сопротивление) для управления скоростью двигателя.

В свою очередь схема двигателя с короткозамкнутым ротором не предполагает добавления любой внешней цепи, т.к. пазы ротора прорезаны вплоть до его торцевых граней.

Таким выглядит один из конструктивных вариантов токосъёмника на три фазы. Здесь следует отметить конструкционную особенность — несколько скошенное расположение слотов

Конструкция ротора фазовращающего типа представлена в виде ламинированного сердечника, наделённого слотами, расположенными параллельно один другому.

Каждый слот содержит по одному стержню и несёт трёхфазную изолированную обмотку. Причём число витков на стержнях равно числу витков обмоток статора.

Три концевых вывода обмотки подключаются, образуя нейтраль «звезды», а начальные выводы соединены с тремя медными кольцами, размещёнными на валу. С кольцами контактируют токосъёмные щётки.

Короткозамкнутый ротор изготовлен несколько иначе. Слоты на сердечнике не располагаются параллельно. Эти элементы ротора скошены под некоторым углом.

Элементы КЗР: 1 — алюминиевое кольцо; 2, 7 — вал стальной; 3, 6 — лопасти алюминиевые; 4 — алюминиевые стержни; 5 — ламинированный стальной сердечник

Сердечник сделан многослойным, с прорезями по всей длине окружности, замкнутыми на торцах сердечника медным или алюминиевым кольцом.

Конфигурация скошенных слотов короткозамкнутого ротора имеет свои преимущества:

• снижаются шумы электродвигателя при работе,
• обеспечивается плавный крутящий момент,
• уменьшается магнитная блокировка статора по отношению к ротору,
• увеличивается сопротивление ротора за счёт длинных проводников стержней.

Особенности для применения на практике

Изучая возможности применения тех или иных конструкций на практике, следует отметить более высокую эффективность моторов с короткозамкнутым ротором.

Относительно эффективности, что показывают асинхронные электромоторы с токосъёмными кольцами, короткозамкнутые выглядят явно лучше. Коэффициент мощности у фазных моторов также существенно ниже.

Однако преимущественной стороной фазных конструкций является возможность регулировать скорость вращения, тогда как короткозамкнутые модификации таких возможностей не дают.

Но регулировка скорости вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором возможна при помощи частотного преобразователя.

Ещё одно преимущество асинхронного электродвигателя с фазным ротором – низкий пусковой ток. Для двигателей с короткозамкнутым ротором этот параметр существенно выше.

Поэтому электродвигатели с фазным ротором, как правило, используются на агрегатном оборудовании, где важен высокий пусковой момент:

• подъёмники промышленные,
• лифты гражданские,
• краны строительные,
• лебёдки производственные и т.п.

Тогда как другой вид моторов (короткозамкнутых) применяется часто в качестве приводов сверлильных, токарных станков и другой техники, где отсутствует потребность высокого пускового момента.

Учебное видео пособие по двигателям разного вида

Основные параметры электродвигателя

• Мощность электродвигателя
• Номинальная частота вращения
• Коэффициент полезного действия
• Момент электродвигателя
• Момент инерции ротора
• Номинальное напряжение
• Электрическая постоянная времени

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы.

• где s – расстояние, м

Для вращательного движения

• где θ – угол, рад

• где ω – углавая частота, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Частота вращения

• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

• где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
• m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

• где ε – угловое ускорение, с -2

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

• где η – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (механическая), Вт

При этом

потери в электродвигатели

обусловлены:
• электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики.

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

• где – постоянная времени, с

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

• где M – вращающий момент, Нм;
• F – сила, Н;
• r – радиус-вектор, м

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин -1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Асинхронные двигатели, плюсы и минусы

Как уже указывалось выше, если сравнивать его с двигателем с короткозамкнутым ротором, имеет два основных преимущества:

• возможность запуска двигателя с уже подключенной к валу значительной нагрузкой – двигатель с самого начала создает большой вращающий момент
• ограничение по току включения позволяет устанавливать асинхронные двигатели с фазовым ротором в маломощных сетях

Кроме того, следует отметить и другие достоинства:

• возможность работы с большой перегрузкой
• малые колебания скорости вращения – при разных нагрузках скорость вращения остается приблизительно одинаковой
• возможность установки автоматики – пусковых приспособлений

Отметим и недостатки:

• введение резисторов в цепь ротора усложняет и удорожает двигатель
• большие габариты
• меньший, чем у короткозамкнутых двигателей, показатель КПД и cos φ
• при недогрузках значение cos φ имеет минимальные значения

На практике асинхронный двигатель с фазным ротором оптимально подходят для случаев, когда нет необходимости в широкой и плавной регулировке скорости и требуется очень большая (особенно на первоначальном этапе) мощность двигателя. Для правильного подключения асинхронного двигателя важно правильно определить начала и концы фазных обмоток. Как это сделать – подробно рассмотрено на видео :