Электродвигатель с фазным ротором

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.

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

Асинхронный электродвигатель – очень распространенная электрическая машина. Он прост в изготовлении и обслуживании, а из-за простоты конструкции – очень надежен. Но есть у него один недостаток – угловая скорость вращения вала неизменна и зависит от количества полюсов обмотки статора. А как быть, если в процессе работы требуется изменять частоту вращения?

Необходимость регулировки оборотов в основном требуется для электродвигателей, устанавливаемых на кранах. Выполняют они там следующие основные функции:

• перемещение крана (моста крана) по рельсам;
• перемещение тележки крана (в перпендикулярной рельсам плоскости);
• подъем груза.

Для перемещения моста крана могут использоваться два двигателя (на обоих концах моста). Для подъема груза могут использоваться два гака разной грузоподъемности, поднимаемые разными электродвигателями. Один гак может иметь два диапазона скоростей подъема, и тоже использовать для этого два электродвигателя.

Мостовой кран

Есть и другие механизмы, скоростью вращения которых нужно управлять: конвейеры, вентиляторы.

Еще одна причина изменять скорость вращения электродвигателя – необходимость его плавного разгона. В момент включения он потребляет ток, в несколько раз превышающий номинальный. Называется он пусковым током. Если при этом еще и нагрузка мотора тяжелая и тоже разгоняется с трудом, то время пуска двигателя увеличивается, а пусковые токи нагревают обмотку статора и могут ее вывести из строя. Да и вал электромотора, его подшипники испытывают механические нагрузки, сокращающие их ресурс.

Электродвигатели постоянного тока способны изменять скорость вращения вала. Для этого в цепи их обмоток включаются реостаты. Этот метод решения проблемы используется на электрифицированном транспорте: в трамваях, троллейбусах, электричках, метро. Но вся инфраструктура энергоснабжения этих потребителей организована особым образом, ведь у постоянного тока свои особенности. Использовать же постоянный ток на предприятиях, большинство потребителей которых работает от сети трехфазного переменного тока, не выгодно. Да и у самих электродвигателей постоянного тока недостатков хватает: сложный щеточный аппарат, уход за коллектором. Реостаты греются, а дистанционное управление несколькими реостатами сразу – сложно.

Поэтому в подобных механизмах используются асинхронные электродвигатели с фазным ротором.

Принцип работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Статор этого электродвигателя ничем не отличается от обычного. А вот в его ротор добавлены обмотки трех фаз, соединенные в звезду, концы которых выведены на контактные кольца. По кольцам скользят щетки, с помощью которых обмотки подключаются к электрической цепи.

Фазный ротор

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором работает так:

• ток в обмотках статора создает вращающийся магнитный поток внутри него;
• изменяющийся во времени магнитный поток, пересекая витки обмотки ротора, наводит в них ЭДС;
• поскольку обмотка ротора замкнута, за счет наведенной ЭДС в ней возникает ток;
• проводники обмотки ротора с током взаимодействуют с вращающимся полем статора, создается вращающий момент.

Особенность асинхронного двигателя с фазным ротором: ток в роторе можно изменять, подключая последовательно с его обмотками резисторы. Чем больше сопротивление резистора, тем меньше ток в роторе. С уменьшением тока уменьшается и сила взаимодействия с вращающимся полем статора. Скорость вращения падает.

Наличие резисторов в цепи ротора увеличивает объем пускорегулирующей аппаратуры двигателя. Мощность, которая рассеивается на них, возрастает с мощностью электродвигателя. Но и для небольших моторов она существенна, что приводит к громоздким конструкциям магазинов сопротивлений и необходимости обеспечивать им постоянное охлаждение. Резисторы изготавливаются из материалов, имеющих высокое удельное сопротивление. Проводники их наматываются на каркасы или монтируются на изоляторы из фарфора. Конструкция помещается в кожух с жалюзийными отверстиями для охлаждения или закрываются сеткой.

Магазин резисторов для кранового электродвигателя с фазным ротором

Не всегда возможно разместить резисторы в помещениях. На кранах они находятся непосредственно на мосту, что приводит к массовому скоплению внутри них пыли и необходимости часто проводить техническое обслуживание.

Плавная регулировка скорости электродвигателя с фазным ротором не производится. Изменение сопротивления в цепи ротора производится фиксированными ступенями. Для этого резисторы разделяются на секции, соединенные последовательно, в цепях которых устанавливаются контакторы управления. При необходимости увеличить скорость вращения контакторы шунтируют часть резисторов, уменьшая их суммарное сопротивление. Для достижения максимальной скорости вращения шунтируются все резисторы, для минимальной – не шунтируется ничего.

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

А теперь рассмотрим несколько примеров построения схем управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

Плавный запуск двигателя с фазным ротором

Система плавного разгона электродвигателя с фазным ротором работает автоматически. Оператор нажимает кнопку «Пуск», дальше автоматика все делает сама.

Главный контактор подключает к трехфазному напряжению обмотку статора. Двигатель начинает вращение с минимально возможной скоростью, так как в цепь его ротора включены резисторы с максимально возможным сопротивлением.

Через фиксированную задержку, формируемую реле времени, включается первый контактор, шунтирующий первую секцию сопротивлений в цепи ротора. Скорость вращения немного возрастает. Проходит еще время, второе реле времени запускает следующий контактор. Шунтируется следующая секция сопротивлений, ток в цепи ротора возрастает, скорость вращения – увеличивается. И так далее, до полного исключения всех сопротивлений из цепи ротора. При этом электродвигатель выходит на номинальные обороты.

Схема плавного пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Число ступеней разгона выбирается из условий тяжести запуска. Разгон получается не таким уж плавным, ток в статоре возрастает ступенями. При старте и переходе на каждую последующую ступень, электродвигатель все равно потребляет пусковой ток, хоть и меньшего значения.

Этого недостатка лишены электродвигатели, для разгона которых используются жидкостные пускатели (или стартеры). В них в качестве резистора используется жидкость с высоким удельным сопротивлением. Это – дистиллированная вода с растворенной в ней специальной солью. Уменьшение сопротивления достигается за счет уменьшения расстояния между электродами, помещенными в эту жидкость. Электроды приводятся в движение небольшим электродвигателем через червячную передачу. За счет этого уменьшение сопротивления в цепи ротора и разгон электродвигателя происходят плавно.

Регулировка скорости крановых электродвигателей

Если при плавном запуске электродвигателя с фазным ротором управление переключением сопротивлений происходит автоматически, то на кране этим управляет оператор – крановщик. Для этого в его кабине размещаются органы управления – контроллеры (на старых кранах) или джойстики (на современных). Они имеют два направления движения: «вперед-назад», «влево-вправо» или «вверх-вниз», в зависимости от назначения контроллера (управление мостом, тележкой или подъемом груза соответственно). В каждом из направлений рукоятка управления проходит ряд фиксированных положений. Чем дальше положение от рукоятки от средней точки, в которой привод выключен, тем больше скорость вращения электромотора. И тем быстрее происходит перемещение механизма или подъем (опускание) груза.

При изменении направления перемещения рукоятки управления изменяется направление вращения электродвигателя. Это происходит за счет переключения чередования фаз питания обмотки статора. Для этого две фазы меняются местами. Происходит это путем подачи напряжения на обмотку реверсивными контакторами, состоящих из двух элементов: контактора «Вперед» и контактора «Назад».

При переключении скоростей другими контакторами из цепи обмотки ротора удаляется часть резисторов. Первое положение рукоятки управления всегда включает электродвигатель с полным набором сопротивлений в цепи ротора. Крайнее положение рукоятки шунтирует все сопротивления.

Устройство и принцип работы асинхронных двигателей с фазным ротором

Основная классификация асинхронных двигателей осуществляется в зависимости от особенностей их пусковых свойств, которые определяются нюансами конструкции.

Если рассматривать устройство с фазным ротором, то пуск происходит следующим образом:

1. Начало запуска параллельно сопровождается переходом фазного ротора из спокойного состояния к постепенному равномерному вращению, во время которого машина начинает уравновешивать момент сил сопротивления на собственном валу.
2. При совершении запуска наблюдается увеличение объемов потребления электроэнергии из сети. Усиленное питание обуславливается необходимостью преодоления тормозного момента, приложенного к валу; передачей движущимся элементам кинетической энергии и компенсацией потерь внутри самого двигателя.
3. Начало пускового момента и параметры скольжения в этот период напрямую зависят от активного сопротивления, которое оказывают резисторы, введенные в роторную цепь.
4. Иногда показателей малого начального пускового момента бывает недостаточно для того, чтобы перевести асинхронный агрегат в полноценный рабочий режим. В такой ситуации, ускорение не является достаточным, а пусковой электрический ток со значительными показателями воздействует на обмотки двигателя, что вызывает их чрезмерный нагрев. Это может ограничить частоту его включений, а если машина была подключена к электросети с малой мощностью, такой запуск может вызвать понижение общего напряжения, что негативно сказывается на функционировании иных потребителей.
5. Благодаря введению в роторную цепь пусковых резисторов происходит понижение показателей электрического тока и пропорциональное увеличение начального пускового момента вплоть до достижения им максимальных параметров.
6. Последующее увеличение параметров сопротивления резисторов не является необходимым условием, поскольку оно будет способствовать снижению начального пускового момента и постепенному отклонению от максимальных характеристик его работы. Область скольжения при этом рискует достигнуть недопустимых показателей, что негативно скажется на разгоне ротора.
7. Пуск двигателя может быть легким, нормальным или тяжелым, именно этот фактор определит оптимальное значение сопротивления резисторов.
8. Далее, необходимо только поддержание достигнутого вращающего момента во время разгона ротора, это позволяет сократить длительность переходного процесса, в котором находится запущенная машина, а также способствует снижению степени нагрева. Для достижения этих целей, осуществляется постепенное понижение показателей сопротивления пусковых резисторов. Параметры допустимого изменения момента зависят от общих условий, которые определяют пиковый предел этого параметра.
9. Процесс переключения разных резисторов осуществляется за счет последовательного подключения контакторов ускорения. На протяжении всего пуска, моменты, во время которых достигаются пиковые значения, являются одинаковыми, а периоды переключения равными между собой.
10. Процесс отключения машины от электросети разрешается осуществлять при накоротко замкнутой роторной цепи, поскольку, в противном случае имеется риск возникновения перенапряжения в обмоточных фазах статора.
11. Параметры напряжения могут достичь значения, которое превосходит его номинальные показатели в 3-4 раза, если во время отключения машины роторная цепь находилась в разомкнутом состоянии.

Технические характеристики

Основные требования, которые обеспечивают качественное функционирование асинхронных агрегатов с фазным ротором, определены и указаны в соответствующих ГОСТах.

Именно они определяют главные технические характеристики и к таким параметрам относятся:

1. Габариты и мощность двигателя, которые должны иметь показатели, соответствующие техническому регламенту.
2. Уровень защиты должен соответствовать условиям, в которых происходит процесс эксплуатации, поскольку различные виды машин могут быть предназначены для установки на улице или только внутри помещений.
3. Высокая степень изоляции, которая должна обладать устойчивостью к повышению рабочей температуры и последующему нагреву.
4. Различные виды асинхронных двигателей предназначены для использования в определенных климатических условиях. Это касается в первую очередь установки подобных машин в крайне холодных местностях или, наоборот, жарких областях. Исполнение агрегата должно соответствовать климату местности, в которой проходит процесс эксплуатации.
5. Полное соответствие режимам функционирования.
6. Наличие системы охлаждения, которая должна соответствовать рабочим режимам машины.
7. Уровень шума при запуске агрегата на холостом ходу должен соответствовать второму классу или быть ниже его.

Устройство

Для работы с асинхронными двигателями и полного понимания принципов функционирования подобных машин, необходимо ознакомиться с особенностями их устройства:

1. Основными частями конструкции агрегата является статор, находящийся в неподвижном состоянии, и вращающийся ротор, который расположен внутри него.
2. Воздушный зазор разделяет оба элемента между собой.
3. И статор, и ротор обладают специальной обмоткой.
4. Статорная обмотка имеет подключение к питающей электросети с переменным напряжением.
5. Роторная обмотка по своей сути является вторичной, поскольку не имеет подключения к сети, а передачу необходимой энергии для нее осуществляет непосредственно статор. Этот процесс происходит благодаря созданию магнитного потока.
6. Корпус статора и корпус двигателя – это один элемент, который имеет в своей структуре запрессованный сердечник.
7. В пазах сердечника размещены проводники обмотки. Специальный электротехнический лак обеспечивает надежную изоляцию данных объектов друг от друга.
8. Обмотка сердечника особым образом разделена на секции, которые соединены в катушки.
9. Катушки составляют фазы самого двигателя, к которым происходит подключение фазы от питающей электросети.
10. Ротор состоит из вала и сердечника.
11. Роторный сердечник создан из набранных пластин, которые изготавливаются из особой разновидности электротехнической стали. На его поверхности имеются симметричные пазы, внутри которых размещены проводники обмотки.
12. Роторный вал в ходе работы выполняет функции по передаче крутящего момента непосредственно к приводному механизму машины.
13. Роторы обладают собственной классификацией, короткозамкнутая разновидность имеет в своей конструкции стержни, изготовленные из алюминия. Они располагаются внутри сердечника, а на торцах замкнуты специальными кольцами. Подобная система получила название беличьего колеса. В машинах с наиболее высокой мощностью, пазы дополнительно заливаются алюминием, что способствует повышению прочности конструкции.
14. Вместо короткозамкнутого ротора в конструкции может присутствовать фазная разновидность. Количество катушек, сдвинутых под определенным углом относительно друг друга, в такой системе зависит от числа парных полюсов. При этом, роторные пары полюсов всегда равны количеству аналогичных пар в статоре. Роторная обмотка соединена особым образом и напоминает по своей форме звезду, а ее лучи выводятся на контакты токосъемных колец, которые соединены при помощи механизма щеточного типа и пускового реостата.

Принцип работы

После освоения устройства асинхронного двигателя с фазным ротором и особенностей его запуска, можно переходить к изучению принципа работы, который заключается в следующем:

1. На статор, обладающий тройной обмоткой, начинает подаваться трехфазное напряжение, идущее от внешней электросети с переменным током.
2. Последовательно происходит процесс возбуждения магнитного поля, которое начинает совершать вращательные движения.
3. Совершаемые вращения постепенно становятся быстрее скорости ротора.
4. В определенный момент времени начинает происходить пересечение отдельных линий полей статора и ротора, что обуславливает возникновение электродвижущей силы.
5. Электродвижущая сила оказывает прямое воздействие на закороченную обмотку ротора, благодаря чему в ней начинает появляться электрический ток.
6. Через определенное время начинает происходить взаимодействие между возникшим в роторе током и статорным магнитным полем, из-за этого образуется крутящий момент, обеспечивающий функционирование асинхронной машины.

Преимущества и недостатки

Востребованность асинхронных двигателей подобного типа на сегодняшний день обуславливается следующими значимыми преимуществами, которыми они обладают:

1. Значительные показатели, которых способен достигать начальный вращающий момент после запуска машины.
2. Механические перегрузки, которые возникают на протяжении коротких промежутков времени, переносятся агрегатом без каких-либо значимых последствий и не оказывают влияния на процесс функционирования машины.
3. При возникновении разнообразных перегрузок в системе, двигатель сохраняет постоянную скорость, возможные отклонения не являются значимыми.
4. Показатели пускового тока значительно меньше, чем у большинства асинхронных аналогов, например, имеющих в своей конструкции короткозамкнутый ротор.
5. Использование подобных агрегатов предусматривает возможность использования систем, автоматизирующих процесс их запуска и введения в рабочее состояние.
6. Конструкция и устройство таких машин являются довольно простыми.
7. Запуска агрегата осуществляется по простой схеме, не подразумевающей значимых усилий.
8. Относительно невысокая стоимость.
9. Обслуживание таких машин не требует значительных затрат сил и времени.

Однако, при таком большом количестве положительных сторон, асинхронные двигатели с фазным ротором обладают и некоторыми недостатками, основными из них являются следующие особенности подобных машин:

1. Слишком большие размеры двигателя, которые могут причинять некоторые неудобства при монтаже и эксплуатации.
2. Коэффициент полезного действия и общая выработка у них намного ниже, чем у многих аналогов. Разновидность агрегатов с короткозамкнутым ротором значительно превосходит их по этим показателям.

Применение

На сегодняшний день, большая часть двигателей, выпускаемых в промышленных масштабах, относится к асинхронной разновидности.

Благодаря ряду преимуществ, которыми обладают машины с фазными роторами, они широко используются в разных сферах человеческой деятельности, в том числе для поддержания работы:

1. Устройств автоматики и приборов из телемеханической области.
2. Бытовых приборов.
3. Медицинского оборудования.
4. Оборудования, предназначенного для осуществления аудиозаписи.

Источники: http://electricalschool.info/main/osnovy/259-asinkhronnye-jelektrodvigateli-s-faznym.html, http://electric-tolk.ru/asinxronnyj-elektrodvigatel-s-faznym-rotorom/, http://slarkenergy.ru/oborudovanie/engine/asinxronnye-s-faznym-rotorom.html