Внешняя характеристика асинхронного двигателя

Подключение асинхронного двигателя к трехфазной сети

Остановимся более подробно на подключении двигателя. Завод-производитель, как правило, маркирует не только клеммы в клеммной коробке, но и концы проводов. В реальности это либо алюминиевые скобки, либо пластиковые или картонные бирки с номером провода. Обмотки в современных двигателях указывается, как U, V, W. Начало обмоток цифрой “1”, а конец – цифрой “2”. Как вы уже знаете, асинхронный двигатель может быть включен по схеме “звезда”, а также по схеме “треугольник”. В 90% случаев используется именно подключение “звезда”.

Итак, у нас обмотки двигателя соединены по схеме “звезда”. Куда же нам подать напряжение, чтобы двигатель начал свое вращение?

Оказывается, все просто. Так как в трехфазной сети у нас в основном 4 провода ( Фаза A, Фаза B, Фаза C, Земля), то соответственно, мы должны задействовать все 4 провода.

Есть также небольшой нюанс при подключении асинхронного двигателя к трехфазной сети. Допустим, если мы подключили двигатель по схеме выше, то у нас вал будет вращаться в одну сторону, допустим, по часовой стрелке.

Но если мы поменяем две любые фазы местами, то двигатель начнется вращаться в противоположном направлении. Такой эффект называется реверсивным включением асинхронного двигателя.

Все то же самое касается и при подключении асинхронного двигателя по схеме “треугольник”. Имейте ввиду, что при включении двигателя в этом режим, мы на шильдике должны посмотреть допустимое напряжение, на которое рассчитан этот двигатель по схеме соединения “треугольник”. Если по схеме “звезда” мы можем подать на такой двигатель питание 380 Вольт, то по схеме “треугольник” только 220 Вольт.

Устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.
В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Какой лучше

Итак, в статье были разобраны устройство и принцип действия двух видов электродвигателей. Говорить о том, что какой-то из них лучше, нельзя. Но отметим, что асинхронные модели проще в конструктивном аспекте. Они надежнее в эксплуатации. Если их не перегружать, то срок службы может быть очень длительным. К сожалению, синхронные виды этим похвастаться не могут. Графитовые щетки быстро изнашиваются, им требуется замена. Но если не уследить, и графит сотрется полностью, то металлические держатели щеток начнут истирать токосъемное кольцо. А его выход из строя – это не только полный выход из строя двигателя, это большое количество искр (трение металла о металл) и возможность появления более серьезных неприятностей.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Чтобы более наглядно представить себе этот процесс, возьмите постоянный магнит и покрутите его вокруг своей оси возле медного диска. Диск с небольшим отставанием начнет вращаться вслед за магнитом. Дело в том, что при вращении магнита в структуре диска возбуждаются токи Фуко (индукционные токи), движущиеся по замкнутому кругу. По сути они являются токами короткого замыкания, разогревающими металл. В диске «зарождается» собственное магнитное поле, в дальнейшем взаимодействующее с полем магнита.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя.

Скорость вращения поля статора

При питании обмотки статора трёхфазным (в общем случае — многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения n1{\displaystyle n_{1}} [об/мин] которого связана с частотой питающего напряжения сети f{\displaystyle f} соотношением:

n1=60fp{\displaystyle n_{1}={\frac {60f}{p}}},

где p{\displaystyle p} — число пар магнитных полюсов обмотки статора.

В зависимости от количества числа пар полюсов возможны следующие значения частот вращения магнитного поля статора, при частоте питающего напряжения сети 50 Гц:

n, об/мин	p{\displaystyle p}
3000	1
1500	2
1000	3
300	10

Большинство двигателей имеют 1-3 пары полюсов, реже 4. Большее число полюсов используется очень редко, такие машины имеют низкий КПД и коэффициент мощности, однако позволяют обойтись без редуктора там, где нужна невысокая частота вращения. Например, существуют даже 34-полюсные двигатели 2АСВО710L-34У1 для привода вентиляторов градирен (синхронная частота 176,5 оборотов в минуту).

Как проверить двигатель перед запуском

Перед тем, как запустить асинхронный двигатель в работу, желательно его проверить на работоспособность. С чего же начать?

Внешний осмотр двигателя. Проверьте, нет ли сколов, вмятин, покрутите вал двигателя. Он должен крутиться плавно и без рывков в обе стороны. Этим действием вы проверяете подшипники, на которых держится ротор двигателя. Если вал двигателя подклинивает, то на это могут быть несколько причин: разбиты посадочные места под подшипники, убитые подшипники, либо ротор затирает статор. Для того, чтобы выяснить причину, нужно будет полностью разобрать двигатель и выяснить реальную проблему. Если все ок, то двигаемся к следующему шагу.

Проверяем обмотки двигателя. Для этого берем мультиметр, ставим его на измерение сопротивления и проверяем сопротивление обмоток. Если обмотки подключены по схеме “звезда”, то нам будет достаточно замерять сопротивление между клеммами, куда подается напряжение питания. Делается это в три этапа.

Раз.

Два.

Три.

Во всех трех случаях сопротивление должно быть одинаково. Допускается отклонение в несколько Ом.

Этими тремя действиями мы проверили обмотки нашего двигателя и убедились, что они все целые.

И заключительный шаг. Проверяем, не звонятся ли обмотки на землю. Так как все обмотки так или иначе соединяются между собой, достаточно будет встать щупом мультиметра на любую из обмоток, а вторым щупом встать на корпус двигателя. Переключатель на мультиметре поставить на измерение МОм.

В идеале должно получиться бесконечно большое сопротивление, в реале от 100 МОм и выше. Если сопротивление очень маленькое, что то около 1-10 Ом, то это означает, что какая-то из обмоток двигателя звонится на землю, что категорически недопустимо. На практике если же сопротивление меньше 1 МОм, то надо выяснить причину и устранить ее. Скорее всего в двигатель попала влага, грязь, либо произошел пробой диэлектрика медного провода. В этом случае поможет только полная разборка и визуальное выяснение причины.

Все те же самые операции применяются и к двигателю со схемой подключения “треугольник”.

Большинство материала для статьи” асинхронный двигатель” было взято из видео ниже. Обязательно к просмотру.

5.3. Принцип образования вращающегося магнитного поля

Принцип образования вращающегося магнитного поля рассмотрим на при­мере простейшей трехфазной двухполюсной обмотки, каждая фаза которой состоит из одной секции, фазы обмотки соединены звездой (рис.5.5). При этом секции тока в фазных обмотках (по времени) относительно друг друга на электрический угол 120° (рис.5.5, б). Проведем ряд построений вектора МДС трехфазной обмотки F_m, соответствующих различным моментам времениt_0, t_1, t₂,t₃отмеченным на графике рис.5.5, б.

В момент времени tток в фазе А равен 0, в фазе В ток имеет отрица­тельное, а в фазе С — положительное направления. Эти направления тока отмечаем на рис.5.5, б в сечениях обмоток статора для данного момента времени. При этом следует помнить, что за положительное направление тока

Рис.5.5. Получение вращающегося магнитного поля: а — трехфазная обмотка статора;

б — вращение МДС; в — модель магнитного поля статора;

1-4 — обмотка фазы А; 3-6 — обмотка фазы В;

5—2 — обмотка фазы С (первая цифра — начало обмотки)

в фазной обмотке принимается направление тока от начала обмотки к ее концу и обозначается х, а, следовательно, отрицательное направление тока в обмотке соответствует направлению тока от конца к началу и обозначается •. Затем в соответствии с указанными на рис. 5, б направлениями токов определяем (по правилу буравчика) направление вектора МДС трехфазной обмотки статора (вектор F_mнаправлен вниз).

В момент времени t₁т.е. через (1/3) Т, ток в фазе В равен нулю, в фазе А имеет положительное, а в фазе С — отрицательное направление. Сделав построения, аналогичные моменту времени t, заметим, что вектор МДС обмотки статора F_mпо сравнению с его положением в момент вре­мени tповернулся на 120° в направлении движения часовой стрелки.

Проведя аналогичные построения вектора МДС обмотки статора для момента t₂и t₃, видим, что каждый раз при переходе от одного момента времени к другому вектор F_mповорачивается на 120°, а за один период изменения токов в обмотках (с tдо t₃) делает полный оборот (360°) и будет, таким образом, вращающимся. Вращающаяся МДС создает враща­ющееся магнитное поле, эквивалентное полю магнита N — S с индукци­ей Во (рис.5, в). Это поле вращается с синхронной частотойnкото­рая пропорциональна частоте переменного токаfи обратно пропорцио­нальна числу пар полюсов обмоток статора р, т.е.

,

Зависимость n от р и f представлена в табл.5.2.

Производители электродвигателей

Российские производители электродвигателей

Регион	Производитель	Асинхронный двигатель	Синхронный двигатель	УД	КДПТ
		СДОВ	СДПМ, серво	СРД, СГД	Шаговый
Краснодарский край	Армавирский электротехнический завод
Свердловская область	Баранчинский электромеханический завод
Владимир	Владимирский электромоторный завод
Санкт-Петербург	ВНИТИ ЭМ
Москва	ЗВИМосковский электромеханический завод имени Владимира Ильича
Пермь	ИОЛЛА
Республика Марий Эл	Красногорский завод «Электродвигатель»
Воронеж	МЭЛ
Новочеркасск	Новочеркасский электровозостроительный завод
Санкт-Петербург	НПО «Электрические машины»
Томская область	НПО Сибэлектромотор
Новосибирск	НПО Элсиб
Удмуртская республика	Сарапульский электрогенераторный завод
Киров	Электромашиностроительный завод Лепсе
Санкт-Петербург	Ленинградский электромашиностроительный завод
Псков	Псковский электромашиностроительный завод
Ярославль	Ярославский электромашиностроительный завод

Аббревиатура:

• АДКР —
• АДФР —
• СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения
• СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами
• СРД — синхронный реактивный двигатель

• СГД — синхронный гистерезисный двигатель
• УД — универсальный двигатель
• КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
• КДПТ ОВ —
• КДПТ ПМ —

Производители электродвигателей ближнего зарубежья

Страна	Производитель	Асинхронный двигатель	Синхронный двигатель	УД	КДПТ
		СДОВ	СДПМ, серво	СРД, СГД	Шаговый
Беларусь	Могилевский завод «Электродвигатель»
Беларусь	Полесьеэлектромаш
Украина	Харьковский электротехнический завод «Укрэлектромаш»
Молдова	Электромаш
Украина	Электромашина
Украина	Электромотор
Украина	Электротяжмаш

Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Страна	Производитель	Асинхронный двигатель	Синхронный двигатель	УД	КДПТ
		СДОВ	СДПМ, серво	СРД, СГД	Шаговый
Швейцария	ABB Limited
США	Allied Motion Technologies Inc.
США	Ametek Inc.
США	Anaheim automation
США	Arc System Inc.
Германия	Baumueller
Словения	Domel
США	Emerson Electric Corporation
США	General Electric
США	Johnson Electric Holdings Limited
Германия	Liebherr
Швейцария	Maxon motor
Япония	Nidec Corporation
Германия	Nord
США	Regal Beloit Corporation
Германия	Rexroth Bosch Group
Германия	Siemens AG
Бразилия	WEG

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
И.В.Савельев. Курс общей физики, том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика.-М.:Наука, 1970.
ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) Стандартные напряжения.
ГОСТ 16264.0-85 Электродвигатели малой мощности
А.И.Вольдек, В.В.Попов. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов.- СПб.: Питер, 2007.
Paul Waide, Conrad U. Brunner. Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems. International Energy Agency Working Paper, Energy Efficiency Series.: Paris, 2011.
Dr. J. Merwerth. The hybrid-synchronous machine of the new BMW i3 & i8 challenges with electric traction drives for vehicles. BMW Group, Workshop University Lund: Lund, 2014.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Принцип действия [ править | править код ]

В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.

Ротор асинхронного двигателя может быть:

• короткозамкнутым;
• фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.

Якорь — это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте). По сути универсальный двигатель — это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.

Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трёхфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надёжнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно со вращающимся полем статора. Там, где нет трёхфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трёхфазного двигателя, пространственно смещённые на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.

На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трёхфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока f : n c = 60 f p =<60f>

>>

При частоте 50 Гц получаем для p = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля n c > = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

Основные параметры электродвигателя

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

Справка: Номинальный вращающий момент М_ном, Нм, определяют по формуле

,

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

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

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)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

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 – угол, рад,

,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

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

,

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

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∙м2,
• m — масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

где – угловое ускорение, с-2

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

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

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

Принцип работы

По какому принципу работает асинхронный двигатель?

При подаче на трехобмоточный статор двигателя трехфазного напряжения от электрической сети переменного тока, происходит возбуждение магнитного поля, оно вращается со скоростью большей, чем скорость, с которой вращается ротор, в (n2<n1). Пересечение линий вращающегося поля статора полем ротора способствует созданию электродвижущей силы (ЭДС). Под воздействием индутируемой ЭДС, в закороченной роторной обмотке, происходит возникновение электрического тока. Когда происходит взаимодействие электрического тока в роторе машины и магнитного поля статора происходит возникновение крутящего момента, который заставляет двигатель работать.

Принцип работы синхронного двигателя

В основу его функционирования положено взаимодействие вращающегося магнитного поля якоря и магнитных полей индукторных полюсов. Обычно якорь находится в статоре, а индуктор распологается в роторе. Для мощных моторов используются электрические магниты для полюсов, а для слабых — постоянные.

Принцип работы синхронного двигателя включает в себя (кратковременно) и асинхронный режим, который обычно применяют для разгона до необходимой (то есть номинальной) скорости вращения. В это время индукторные обмотки замыкаются накоротко или посредством реостата. После достижения необходимой скорости индуктор начинают питать постоянным током.

Механическая характеристика двигателя

Механической характеристикой называется зависимость момента от скольжения при постоянном напряжении и частоте сети.

На рис. 19 показана механическая характеристика двигателя. При пуске двигатель развивает пусковой момент МП (S = 1); если пусковой момент больше момента сопротивления рабочей машины МС, то ротор двигателя развернется и двигатель будет работать в точке a характеристики.

Увеличивая момент сопротивления рабочей машины МС, мы будем увеличивать скольжение, и точка a начнет перемещаться по характеристике к точке В точке 1 двигатель развивает максимальный момент, скольжение, соответствующее максимальному моменту, которое называется критическим — SКР. При увеличении момента МС выше момента Мm скольжение быстро растет и ротор двигателя остановится (происходит «опрокидывание» двигателя).

Отношение пускового момента к номинальному называется кратностью пускового момента:

Рис. 19. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Кратность пускового момента указывается в каталогах справочных данных, она должна быть больше 0,9.

Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя:

Перегрузочная способность указывается в каталогах. Она обычно находится в пределах 1,7—2,5. Механическая характеристика имеет две характерные ветви: ветвь (A—B) — устойчивая часть характеристики (с увеличением скольжения момент двигателя растет); ветвь (В—С) — неустойчивая часть характеристики (с увеличением скольжения момент двигателя уменьшается). Если в цепь двигателя с фазным ротором вводить активное сопротивление, то максимальный момент, не изменяясь по величине, перемещается в область более высоких скольжений (рис. 20, механическая характеристика II). Можно подобрать такое сопротивление в цепи ротора, что максимальный момент будет при пуске.

Рис. 20. Механическая характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором

Кривая I для двигателей нормального исполнения показывает, что асинхронный двигатель обладает жесткой характеристикой скорости. Асинхронный двигатель с фазным ротором с сопротивлениями в цепи ротора имеет более мягкую характеристику (кривая II). Увеличивая сопротивление в цепи ротора, можно сдвинуть максимальный момент и сравнять его с пусковым моментом.

История

Модель индукционного (двухфазного) двигателя Н. Теслы. Музей Николы Теслы, Белград.

Первый трёхфазный асинхронный двигатель, изобретённый Доливо-Добровольским. Немецкий музей (Мюнхен).

Трёхфазный асинхронный двигатель Н. Теслы. Музей Николы Теслы, Белград.

В 1888 году Галилео Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской академии наук в Турине (в том же году Тесла получил патент США), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя

Заслуга Феррариса в том, что, сделав ошибочный вывод о небольшом КПД асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и в июле 1888 года попала на глаза выпускнику Дармштадтского высшего технического училища, выходцу из Российской Империи Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому

Уже в 1889 году Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо» (германский патент № 51083 от 8 марта 1889 года под названием «Anker für Wechselstrommotoren»), а в 1890-м — патенты в Англии № 20425 и Германии № 75361 на фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами. Данные изобретения открыли эру массового промышленного применения электрических машин. В 1903 году в Новороссийске построен элеватор с первой в мире промышленной сетью переменного трехфазного тока, все установки которой изготовлены под руководством Доливо-Добровольского. На данном элеваторе, также впервые в мире, применены трехфазные трансформаторы и асинхронные двигатели с фазным ротором. В настоящее время асинхронный двигатель Доливо-Добровольского является самым распространенным электродвигателем.

Электродвигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко применяются в качестве привода электротранспорта, промышленного оборудования, а также микропривода исполнительных механизмов. Такие электрические машины обладают следующими преимуществами:

• Возможность регулировки частоты вращения путем изменения напряжения в обмотке возбуждения. При этом крутящий момент на валу ДПТ (двигатели постоянного тока) остается неизменным.
• Высокий к.п.д. (коэффициент полезного действия) у машин постоянного тока несколько выше, чем у самых распространенных асинхронных двигателей переменного тока. При неполной нагрузке на валу к.п.д. ДПТ выше на 10-15%.
• Возможность изготовления ДПТ небольших габаритов. Практически все используемые микроприводы рассчитаны на постоянный ток.
• Простота схем управления. Для пуска, реверса и регулирования скорости и момента не требуется сложного электронного оборудования и большого количества аппаратов для коммутации.
• Возможность работы в режиме генератора. Электродвигатели такого типа можно использовать в качестве источников постоянного тока.
• Высокий пусковой момент. ДПТ используют в составе электроприводов кранов, тяговых и грузоподъемных механизмов, где требуется запуск под значительной нагрузкой.

ДПТ различают по способу возбуждения, они бывают:

• С постоянными магнитами. Такие двигатели отличаются малыми габаритами. Основная область их применения – микроприводы.
• С электромагнитным возбуждением.

Электрические машины с электромагнитами такого типа получили самое широкое распространение. Их классифицируют по способу подключения обмотки статора:

• Двигатели с параллельным возбуждением. Обмотки якоря и статора в электрической машине такого типа соединены параллельно. Такие электрические машины не требуют дополнительного источника питания для обмотки возбуждения, скорость вращения ротора практически не зависит от нагрузки. Их используют для привода металлорежущих станков и другого оборудования.
• Электродвигатели с последовательно включенной обмоткой статора. ДПТ этого типа имеют значительный пусковой момент. Их применяют в качестве привода электротранспорта и промышленных установок с необходимостью пуска под нагрузкой.
• Двигатели с независимым возбуждением. Для питания обмотки статора таких электромашин используется независимый источник постоянного тока. ДПТ такого типа отличаются широким диапазоном регулирования скоростей.
• Электрические машины со смешанным возбуждением. Электромагнит возбуждения в таких двигателях поделен на 2 части. Одна из них включена параллельно, вторая последовательно обмотке якоря. Электрические машины такого типа используются в механизмах и оборудовании, где необходим высокий пусковой момент, а также переменная и постоянная скорость при переменном моменте.