История создания и область применения асинхронных двигателей
Приоритет в создании асинхронного двигателя принадлежит Николе Тесле, который в Будапеште весной 1882 г. решил проблему создания вращающегося магнитного поля при помощи неподвижной многофазной обмотки переменного тока, а в 1884 г. в Страсбурге продемонстрировал действующую модель своего двигателя. Вклад в развитие асинхронных двигателей внес Галилео Феррарис, который в 1885 г. в Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт. В 1888 г. Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской Академии Наук в Турине (в том же году, Тесла получил патент США 381,968 от 01.05.1888 (U.S. Patent 0 381 968|заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррариса в том, что сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. 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 была прочитана в июле 1888 г. выпускником Дармштадтского Высшего технического училища, выходцем из России Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским. Уже в 1889 г. Доливо-Добровольскийполучил патент на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», а в 1890 г. — патенты в Англии № 20425 и Германии № 75361 на трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором. Данные изобретения открыли эру массового индустриального применения электрических машин. В настоящее время асинхронный двигатель является самым распространенным электродвигателем.
В настоящее время асинхронные машины используются в основном в режиме двигателя. Машины мощностью больше 0.5 кВт обычно выполняются трёхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.
Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.
За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.
Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.
История создания электродвигателя
Первые эксперименты с электромагнитными устройствами
Электромеханика является относительно молодой, по историческим меркам, отраслью науки и техники.
1800, Вольта
Итальянский физик, химик и физиолог, Алессандро Вольта, первый в мире создал химический источник тока.
1820, Эрстед
Датский ученый, физик, Ханс Кристиан Эрстед, обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку.
1821, Фарадей
Британский физик-экспериментатор и химик, Майкл Фарадей, опубликовал трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где описал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. Эта конструкция впервые реализовала непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Принято считать ее первым электродвигателем в истории.
1822, Ампер
Французский физик, Андре Мари Ампер, открыл магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Среди прочего Ампер предложил использовать железный сердечник, помещенный внутрь соленоида, для усиления магнитного поля. В 1820 году им был открыт закон Ампера.
1822, Барлоу
Английский физик и математик, Питер Барлоу, изобрел колесо Барлоу, по сути, униполярный электродвигатель.
1825, Араго
Французский физик и астроном, Доминик Франсуа Жан Араго, опубликовал опыт показывающий, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.
1825, Стёрджен
Британский физик, электротехник и изобретатель, Уильям Стёрджен, в 1825 изготовил первый электромагнит, который представлял из себя согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки.
1827, Йедлик
Венгерский физик и электротехник, Аньош Иштван Йедлик, изобрел первую в мире динамо-машину (генератор постоянного тока), однако практически не объявлял о своем изобретении до конца 1850-х годов.
1831, Фарадей
Английский физик, Майкл Фарадей, открыл электромагнитную индукцию, то есть явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Формулировка закона электромагнитной индукции.
1831, Генри
Американский физик, Джозеф Генри, независимо от Фарадея обнаружил взаимоиндукцию, но Фарадей раньше опубликовал свои результаты.
1832, Пикси
Француз, Ипполит Пикси, сконструировал первый генератор переменного тока. Устройство состояло из двух катушек индуктивности с железным сердечником напротив которых располагался вращающийся магнит подковообразной формы, который приводился в движение вращением рычага. Позже для получения постоянного пульсирующего тока к этому устройству был добавлен коммутатор.
1833, Стёрджен
Британский физик, Уильям Стёрджен, публично продемонстрировал электродвигатель на постоянном токе в Марте 1833 года в Аделаидской галерее практической науки в Лондоне. Данное изобретение считается первым электродвигателем, который можно было использовать.
1833, Ленц
В начале в электромеханике разграничивали магнито-электрические машины (электрические генераторы) и электро-магнитные машины (электрические двигатели). Российский физик (немецкого происхождения), Эмилий Христианович Ленц, опубликовал статью о законе взаимности магнито-электрических явлений, то есть о взаимозаменяемости электрического двигателя и генератора.
Первые реальные электрические двигатели
Май 1834, Якоби
Немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. До этого изобретения существовали только устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря.
Асинхронный электродвигатель: принцип работы и устройство
Самым эффективным устройством, превращающим электрическую энергию в механическую, является асинхронный двигатель, изобретенный инженером Доливо-Добровольским в конце 19 века. Учитывая возрастающий интерес современников к разработке и сборке станков, самодвижущихся аппаратов и прочих механизмов, мы постараемся объяснить, как работает асинхронный электродвигатель, чтобы вы могли понять принцип его действия и результативно его использовать.
Устройство асинхронного электродвигателя
В его конструкцию входят следующие элементы:
- Статор цилиндрической формы, собранный из стальных листов. Сердечник статора имеет пазы, в которые уложены обмотки. Их оси сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу.
- Ротор (короткозамкнутый или фазный). Первый вариант представляет собой сердечник с алюминиевыми стержнями, накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка). Второй вариант состоит из трехфазной обмотки, чаще всего соединенной «звездой».
- Конструктивные детали – вал, подшипники, лапы, подшипниковые щиты, крыльчатка и кожух вентилятора, коробка выводов — обеспечивающие вращение, охлаждение и защиту механизма.
Схему асинхронного двигателя с указанием его деталей легко найти в интернете или в пособиях.
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:
- При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
- В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
- Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
- Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
- В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
- 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.
Преимущества асинхронных двигателей
Благодаря тому, что устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя достаточно просты, он обладает массой преимуществ и широко применяется во всех сферах народного хозяйства и в быту. Двигатели этого типа характеризуются:
- Надежностью и долговечностью. Отсутствие контакта между подвижными и неподвижными деталями сводит к минимуму возможность износа и поломок.
- Низкой стоимостью. Они доступны (не зря 90% от всех выпускающихся в мире двигателей именно асинхронные).
- Простотой эксплуатации. Для того чтобы использовать их, не обязательно иметь специальные знания и навыки.
- Универсальностью. Их можно установить практически на любое оборудование.
Изобретение асинхронного электродвигателя было значимым вкладом в развитие науки, промышленности и сельского хозяйства. С ним наша жизнь стала более комфортной.
Кто изобрел трехфазный двигатель…
В 21-ом веке электродвигатели имеют особое место в нашей жизни. Они находятся почти во всех технических агрегатах, которые мы видим каждый день, будь то пылесос, стиральная машина, система вентиляции. Это безусловно очень важное достижения прогресса, которое появилось в середине 19-го века, и было предвестником индустриальной эры.
Электродвигатель был создан в 1834 году Борисом Якоби, русским пионером электротехники, и после некоторых усовершенствований в 1838 году был установлен на лодке, которая могла с его помощью перемещаться по реке со скоростью около 4 кмч. Но несмотря на это изобретение, электродвигатели не могли найти массового применения, до того момента, пока не был создан электрический генератор, поскольку осуществлять их питание от батареи было крайне неудобно. Первый двигатель переменного тока был сконструирован и создан Чарльзом Уитстоном в 1841 году. Началом применения переменного тока для электродвигателей принято считать 1889 год, когда инженер Доливо- Добровольский сконструировал первый трехфазный асинхронный двигатель. Первая линия трехфазного переменного тока была создана в 1891 году. Результаты использования этой линии доказали физическую возможность применения трехфазного тока, для передачи больших объемов электроэнергии с высокими показателями КПД. К началу 20-го века появились прототипы основных электромашин.
Именно с того времени началось быстрое развитие электрификации промышленных предприятий и транспорта. Одновременно с этим появляются первые турбогенераторы. Это дает толчок к увеличению мощности генераторов. Для сравнения в 1900 году пиковая мощность генератора составляла 5кВт, а в 1920 году эта величина составляла 60 тысяч кВт. Создание водного охлаждения позволило создать турбогенераторы мощностью около 550 тысяч кВт.
На данный момент электродвигатели имеют следующие характеристики. Максимальная мощность. Она как принято в физике измеряется в Ваттах. Этот параметр зависит от конструкции, материала изготовления, и технологии создания. Несколько двигателей имеющие одинаковую массу и размер могут иметь различную мощность исключительно из-за технологии производства. Как правило, именно этот параметр задает ценовую категорию для двигателя. Далее рассматривают номинальное напряжение и ток, а так же сопротивление обмотки, как вы знаете, эти параметры неизменно влияют друг на друга. При более низком сопротивлении, возрастает максимальное значение ампер. Третьей характеристикой являются номинальные обороты в минуту. Конструкция современного двигателя направлена на получение более высоких оборотов, или же наивысшего момента на валу. Следовательно, двигатель с большим диаметром имеет увеличенный высокий момент и уменьшенные обороты.
Большинство двигателей формируют два магнитных поля, переменное и неподвижное, при этом неподвижное производят постоянные магниты, в то время как переменное создается обмоткой. Неподвижное поле работает по базовым определениям механики, магнит имеет два полюса, северный и как положено южный, противоположные полюса имеют притяжение, одинаковые притягиваются и вследствие этого создается сила взаимодействия. Но для того, чтоб двигатель начал свое вращение требуется менять эти направления. Соответственно, в реальности вращение происходит из-за изменения этих параметров, полюс притягивается, полюс отталкивается. Таков основной принцип действия электродвигателя.
