Асинхронные электродвигатели с фазным ротором

В настоящее время, на долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью. К ним относятся и трехфазные асинхронные двигатели.

Трехфазные асинхронные электродвигатели широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, бытовых и медицинских приборах, устройствах звукозаписи и т.п.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Широкое распространение трехфазных асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и простотой в обслуживании.

Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором

Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть – статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитопровода, запрессованного в литую станину. На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора. Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки можно соединить по схеме »звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют «звездой». Если же напряжение сети 220 В, то обмотки соединяют в «треугольник». В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.

В асинхронных электродвигателях большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы. В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет лучшие пусковые и регулировочные свойства, однако ему присущи большие масса, размеры и стоимость, чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы асинхронных электродвигателей

Принцип работы асинхронной машины основан на использовании вращающегося магнитного поля. При подключении к сети трехфазной обмотки статора создается вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого определяется частотой сети f и числом пар полюсов обмотки p, т. е. ω1=2πf/p

Пересекая проводники обмотки статора и ротора, это поле индуктирует в обмотках ЭДС (согласно закону электромагнитной индукции). При замкнутой обмотке ротора ее ЭДС наводит в цепи ротора ток. В результате взаимодействия тока с результирующим малнитным полем создается электромагнитный момент. Если этот момент превышает момент сопротивления на валу двигателя, вал начинает вращаться и приводить в движение рабочий механизм. Обычно угловая скорость ротора ω2 не равна угловой скорости магнитного поля ω1, называемой синхронной. Отсюда и название двигателя асинхронный, т. е. несинхронный.

Работа асинхронной машины характеризуется скольжением s, которое представляет собой относительную разность угловых скоростей поля ω1 и ротора ω2: s=(ω1-ω2)/ω1

Значение и знак скольжения, зависящие от угловой скорости ротора относительно магнитного поля, определяют режим работы асинхронной машины. Так, в режиме идеального холостого хода ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой частотой в одном направлении, скольжение s=0, ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного пол, ЭДС в его обмотке не индуктируется, ток ротора и электромагнитный момент машины равны нулю. При пуске ротор в первый момент времени неподвижен: ω2=0, s=1. В общем случае скольжение в двигательном режиме изменяется от s=1 при пуске до s=0 в режиме идеального холостого хода.

При вращении ротора со скоростью ω2>ω1 в направлении вращения магнитного поля скольжение становится отрицательным. Машина переходит в генераторный режим и развивает тормозной момент. При вращении ротора в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поли (s>1), асинхронная машина переходит в режим противовключения и также развивает тормозной момент. Таким образом, в зависимости от скольжения различают двигательный (s=1÷0), генераторный (s=0÷-∞) режимы и режим противовключення (s=1÷+∞). Режимы генераторный и противовключения используют для торможения асинхронных двигателей.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Недостатки асинхронных электродвигателей

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

• Продолжительный;
• Кратковременный;
• Периодический;
• Повторно-кратковременный;
• Особый.

Продолжительный режим — основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Принцип работы АД (асинхронного двигателя) с фазным ротором

Асинхронный двигатель (АД) с фазным ротором представляет собой многофункциональную силовую установку, которая поддерживает регулировку с помощью внесения в роторную цепь добавочных сопротивлений. От классических моделей с короткозамкнутым ротором агрегат отличается более высоким пусковым моментом и низким пусковым током. Классификация устройств осуществляется с учетом их свойств и конструкции.

Общая информация

Чтобы понять, как работает асинхронный двигатель с фазным ротором, необходимо внимательно изучить особенности его пуска. При запуске установки ее ротор параллельно переходит из состояния покоя в медленное и равномерное вращение. При этом система уравновешивает момент сил сопротивления посредством собственного вала.

Во время запуска начинается усиленное потребление энергетических ресурсов, что связано с преодолением тормозного момента и компенсацией потерь внутри силовой установки. Нередко параметры начального пускового момента далеки от требуемых, поэтому асинхронный двигатель не способен перейти в режим полноценной работы. В таком случае ускорение приостанавливается, а постоянное воздействие чрезмерного тока приводит к перегреву внутренних узлов установки.

По этой причине частота запусков двигателя ограничивается несколькими включениями. Если агрегат работал от электрической сети с низкой мощностью, тогда подобное явление может снизить общее напряжение и нарушить работу других приборов, присоединенных к этой линии.

Наличие в роторной цепи пусковых резисторов снижает показатели электрического тока, но при этом поднимает начальный пусковой момент, пока он не достигнет пиковой отметки. Запуск силовой установки бывает легким, нормальным или тяжелым.

В зависимости от этого фактора можно определить оптимальные параметры сопротивления резисторов.

После успешного запуска остается поддерживать стабильный вращающий момент на этапе разгона ротора, что сократит продолжительность перехода из спокойного состояния в стадию вращения и снизит вероятность нагрева. Для этого необходимо уменьшить показатели сопротивления резисторов.

Переключение разных резисторов происходит из-за подключения контакторов ускорения в последовательном порядке. Отключать двигатель от электрической сети можно только при накоротко замкнутой роторной цепи. Если это требование проигнорировать, то появится риск существенного перенапряжения в обмоточных фазах статора.

Технические характеристики

Существуют установленные требования, гарантирующие качественную работу асинхронных двигателей с фазным ротором. От них зависят базовые параметры и характеристики системы, включая:

1. Размеры и мощность установки, соответствующие техническому регламенту.
2. Защиту от внешних воздействий. Ее степень определяется окружающими условиями, в которых будет расположена машина. Дело в том, что одни установки предназначаются для работы внутри помещения, в то время как другие способны функционировать и на улице. К тому же доступные на рынке агрегаты отличаются климатическими особенностями. Например, существуют двигатели, которые выдерживают экстремальный холод или, наоборот, сильную жару. В зависимости от условий использования они обладают характерным исполнением и защитой.
3. Степень изоляции. Асинхронные двигатели с фазным ротором должны быть устойчивыми к высоким температурным показателям и возможным нагревам внутренних механизмов. Для предотвращения воспламенений их защищают специальными изоляционными слоями.
4. Соответствие установленным стандартам и режимам функционирования.
5. Наличие мощной охладительной системы, которая соответствует рабочему режиму двигателя.
6. Уровень шума во время запуска на холостом ходу. Он соответствует второму классу или ниже.

Устройство и конструкция

Желая купить асинхронный электродвигатель с фазным ротором, необходимо хорошо разбираться в его устройстве и конструкционных особенностях. В первую очередь нужно знать, что к основным частям установки относятся статор, который является неподвижным, и ротор — вращающийся механизм внутри статора. Между обоими элементами расположен воздушный зазор, а их поверхность покрыта специальной обмоткой.

Обмотка статора подключена к электрической сети с переменным напряжением, которое передается на обмотку ротора. Взаимодействие узлов обусловлено магнитным потоком.

Что касается корпуса статора, то в качестве него используется корпус двигателя, внутри которого расположен запрессованный сердечник. В последнем находятся проводники обмотки, защищенные от замыкания изоляцией. Обмотка сердечника состоит из нескольких секций, заключенных в катушки.

В роторе установлены вал и сердечник из набранных пластин. Последний элемент создается на основе высокотехнологичной стали и обладает симметричными пазами с проводниками. При работе вал ротора передает крутящий момент к приводу установки. В зависимости от типа ротора выделяют две разновидности двигателей:

1. С короткозамкнутым ротором.
2. С фазным ротором.

В первом типе роторов присутствуют алюминиевые стержни, которые находятся внутри сердечника и замкнуты на торцах кольцами. Их также называют «беличьим колесом». Обычно пазы установки обрабатываются алюминием, что повышает их прочность.

Фазный ротор асинхронного двигателя существенно отличается от предыдущей разновидности. Число катушек, установленных под конкретным углом, в таких моделях определяется количеством парных полюсов. При этом пары полюсов в роторе такого типа всегда сопоставимы с аналогичными статорными парами.

Принцип работы

Изучив устройство АД с фазным ротором и его запуск, можно приступать к более подробному рассмотрению работы такой установки. Её можно разделить на несколько пунктов:

1. На статор с тройной обмоткой подается трехфазное напряжение от электрической сети с переменным током.
2. Затем начинается образование магнитного поля, которое приводит к вращению ротора. По мере ускорения вращательных движений скорость оборотов ротора существенно растет.
3. По достижении определенных показателей отдельные линии полей обоих узлов пересекаются, что вызывает появление электродвижущей силы. Она воздействует на роторную обмотку, за счет чего в ней формируется электрический ток.
4. В определенный момент времени между магнитным полем статора и током в роторе начинается взаимодействие, образующее крутящий момент. Именно за счет него и осуществляется работа асинхронного двигателя.

Плюсы и минусы

В последнее время асинхронные агрегаты пользуются большой популярностью. Она связана с массой преимуществ, которыми они обладают. В их числе:

1. Высокие значения при начальном вращающем моменте.
2. Способность принимать любые механические перегрузки без существенного изменения КПД или нарушения стабильной работы установки. Даже если в системе возникают разнообразные перегрузки, агрегат продолжает функционировать с заданной скоростью и практически не отклоняется от базового режима.
3. Сниженный пусковой ток. В отличие от других асинхронных моделей, например, с короткозамкнутым ротором, у этих двигателей сравнительно низкие показатели пускового тока.
4. Возможность полной автоматизации работы.
5. Простота конструкции.
6. Простая схема запуска.
7. Сравнительно невысокая цена.
8. Отсутствие необходимости сложного и дорогостоящего обслуживания.

Кроме множества плюсов у двигателей этого типа имеются и недостатки. К ключевым минусам относят довольно крупные габариты, из-за которых монтаж и дальнейшая эксплуатация системы усложняются, а также сниженный КПД по сравнению со многими аналогами.

По последнему показателю устройства с короткозамкнутым ротором более продуктивные.

Сферы применения

В настоящее время многие промышленные двигатели являются асинхронными. Их популярность обусловлена вышеперечисленными плюсами и доступностью. Сферы применения таких агрегатов очень обширные, поэтому их активно используют для работы автоматизированных устройств из телемеханической сферы, бытового и медицинского оборудования и звукозаписывающих установок. Асинхронный двигатель — это полезное изобретение нынешнего времени, которое упрощает жизнь человека и обеспечивает хороший КПД при минимальных затратах электроэнергии.