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.
Статьи и схемы
Полезное для электрика
Асинхронный двигатель с фазным ротором
Надёжность электродвигателя это одно из важнейших качеств его. Обычно она связана с простотой конструкции. Чем проще конструкция, тем надёжнее движок. Эта зависимость подтверждается асинхронными электродвигателями. Они получили самое широкое распространение из всех электродвигателей именно по причине простоты устройства и надёжности. В них реализован самый простой способ получения крутящего момента на валу движка. Максимум магнитного поля статора перемещается вокруг вала, вызывая его ответную реакцию.
Причины появления фазного ротора в асинхронном двигателе
Реакция ротора вызвана током, который возникает в нём. Ведь по своей сути статор является первичной обмоткой трансформатора. А ротор – его вторичная обмотка. При неподвижном роторе величина тока в нём максимальна. Это объясняется тем, что скорость перемещения максимума магнитного поля статора относительно вала получается максимальной. Такой режим асинхронного движка аналогичен включению трансформатора с вторичной обмоткой замкнутой накоротко.
А поскольку обмотки взаимосвязаны магнитопроводом, который в асинхронном двигателе разделён на железо вращающейся части его и сердечник статора, в обмотке статора тоже получается максимум величины тока. Если мощность электросети недостаточна для того, чтобы при пуске асинхронных движков поддержать напряжение в пределах необходимого значения, применяются меры по уменьшению пускового тока этих двигателей. Это делается либо при помощи специальных схем, которые позволяют регулировать токи в обмотках статора, либо использованием асинхронных движков специальной конструкции – с фазным ротором.
Как устроен фазный ротор?
Фазный ротор содержит обмотки в виде катушек с витками. Эти катушки соединены по схеме «звезда». Конец каждой обмотки соединён с ответствующим кольцом. При подаче напряжения на статор на каждом кольце появляется напряжение. В скользящем контакте с кольцом находится щётка, которая даёт возможность подключения внешних элементов. Эти элементы являются частью схемы управления. Она получается более простой, по сравнению с теми схемами, которыми движок управляется со стороны статора. Чаще всего схема управления содержит набор резисторов.
Они подключаются по мере разгона вала. Хотя такой способ управления пуском асинхронного двигателя не самый экономичный, он наиболее часто применяется на практике в силу своей простоты и минимума коммутационных помех. Ограничение тока ротора это не только возможность плавного запуска двигателя, но и ограничение скорости вращения вала. Но тогда более рациональным решением будет использование индуктивностей вместо резисторов. Иллюстрации, показывающие особенности конструкции асинхронного движка с фазным ротором показаны далее.
При автоматическом управлении лучше всего применять реле или полупроводниковые коммутаторы, которые параллельно стартовому резистору подключают новые резисторы, постепенно уменьшая их суммарное сопротивление до нуля с шунтированием всех резисторов последним коммутатором или контактами реле. Для наиболее плавного пуска необходимо использовать реостат 1, который на схеме слева включён в электрической цепи ротора и своими ползунками 5 соединён с кольцами 2 через клеммы щёток 3. Движок начинает работать после замыкания контактов рубильника 4. При этом ползунки реостата должны быть установлены в положение «Пуск».
В этом положении сопротивлении реостата максимально. Вал движка начинает вращаться. Перемещение ползунка будет приводить к разгону вала до максимальной скорости, которая появится при нулевом значении сопротивлении реостата. Однако есть ещё одно следствие такой регулировки двигателя с фазным ротором. Меняется связь крутящего момента и скольжения. Этот эффект показан на графике ниже. При определённой величине сопротивления в цепи ротора максимум крутящего момента смещается в сторону более высоких оборотов движка, как на кривой 2. Кривая 1 соответствует нулевому значению сопротивления в цепи фазного ротора.
При нулевом сопротивлении кольца, по сути, замкнуты накоротко. Щётки и кольца из-за трения изнашиваются. А поскольку после завершения разгона вала этот узел фактически не используется его целесообразно исключить из процесса работы. По этой причине в асинхронных двигателях с фазным ротором предусмотрен специальный механизм. Он отодвигает щётки от колец и одновременно замыкает последние накоротко. В результате кольца и щётки работают намного дольше по сравнению с тем вариантом, который предусматривает их непрерывный контакт.
Простота и надёжность асинхронных двигателей основана на конструкции ротора. Но именно это обстоятельство и создаёт проблемы с их эксплуатацией. Большие пусковые токи в некоторых случаях неприемлемы настолько, что оправдывается более сложная и дорогостоящая намоточная конструкция ротора с кольцами и щётками. Тогда и применяются асинхронные двигатели с фазным ротором. Но более сложная конструкция и цена их в сравнении с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором оправдывается также и тем, что они позволяют получить величину крутящего момента в рабочем режиме при меньших габаритах и массе. Поэтому эти особенности делают асинхронные двигатели с фазным ротором в ряде случаев наиболее предпочтительными.
схема асинхронного двигателя с фазным ротором
Большие пусковые токи двигателей создают скачки напряжения в электросети. Возможность избежать этого переключением асинхронного двигателя со звезды на треугольник я описывал. Есть еще способ снижения пускового тока — асинхронный двигатель с фазным ротором. Преимущества такого способа весьма ощутимы:
- пусковой момент почти не снижается;
- довольно плавная регулировка скорости вращения ротора;
- возможность торможения противотоком (изменение вращения ротора в противоположную сторону — реверс) без последствий для статора;
- возможность динамического торможения (об этом читайте ниже).
Из минусов я бы назвал громоздкость электрооборудования и повышенная сложность обслуживания. Схема асинхронного двигателя с фазным ротором значительно сложнее схемы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Асинхронный двигатель с фазным ротором широко применяется в грузоподъемной технике (мостовые, козловые, башенные краны).
Обмотки фазного ротора соединены в звезду, и через токосъемные кольца с графитовыми или медно-графитовыми щетками к обмоткам подключаются сопротивления номиналом ниже 1 Ом (десятые и сотые доли). Так как в фазном роторе наводится ток, превосходящий статорный, сопротивления очень большого сечения. Сделанные из нихрома, они собираются секциями в ящике, размером больше самого двигателя. Подключается от 3 до 5 ступеней разгона двигателя.
При пуске работает вся батарея сопротивлений. Постепенно закорачивая части сопротивлений силовыми контактами пускателей, командоконтроллеров или контакторов, повышают скорость вращения ротора. В схемах асинхронного двигателя с фазным ротором я преднамеренно исключил многие элементы управления, чтобы не отвлекали от описания работы фазного ротора и сопротивлений.
На легких мостовых кранах сопротивления переключаются непосредственно силовыми контактами командоконтроллера (Рис.1). Сначала включаются в работу все сопротивления, двигатель работает на малой скорости, затем закорачивается верхняя часть сопротивлений, и поэтапно выводится из работы вся батарея, обеспечивая максимальную скорость вращения ротора. Крановщик может включить самую высокую скорость, мгновенно проходя все ступени разгона.
На башенном кране такая вольность чревата. Плавность разгона там регулирует реле времени .
Помню, на башенном кране сгорела катушка реле, а начальство требует срочно разгрузить машины на стройке. Пришлось идти на преступление — закорачивать контакты реле времени. Жуткое зрелище, скажу вам, когда под тяжелым грузом дергало и раскачивало башню крана!
Разберем примерную схему асинхронного двигателя с фазным ротором (Рис.2). Не обращая внимания на статорные цепи, вкратце разберем работу фазного ротора.
В нейтральном положении контроллера включено реле времени РУ1, остальные катушки обесточены.
На первой ступени пуска контактом контроллера включается контактор подъема или спуска (КМП или КМС), ротор вращается на минимальных оборотах при полном сопротивлении. Замыкается цепь реле РУ2. С задержкой времени включается нормально разомкнутый контакт РУ2, обеспечивая цепь включения контактора КУ1.
На второй ступени пуска следующим контактом контроллера включается контактор КУ1, контакты которого выводят часть сопротивлений из работы. Скорость вращения увеличивается. В это время вспомогательный контакт включенного контактора КУ1 разрывает цепь реле времени РУ1. Нормально замкнутый контакт реле РУ1 возвращается с задержкой в исходное положение — цепь катушки КУ2 готова к работе.
Третья ступень контроллера включает контактор КУ2, и выходит из работы еще одна часть сопротивлений. Вспомогательный контакт КУ2 отключает катушку реле времени РУ2, нормально разомкнутый контакт РУ2 без помощи контроллера с задержкой включает катушку контактора КУ3. Все сопротивления закорочены, двигатель работает на максимальных оборотах.
Режим динамического торможения асинхронного двигателя основан на совместной работе фазного ротора, блока сопротивлений и трехфазного выпрямителя. Разберем саму суть динамического торможения с самовозбуждением. Если разбираться основательно во всех схемах режима, понадобится целая заумная статья, что для начинающего электрика будет сложновато.
Торможение асинхронного двигателя с фазным ротором можно осуществить подачей на статор постоянного тока. Если постоянный ток получить через выпрямитель из питающей линии и подать на статор, получится динамическое торможение с подпиткой. Режим с самовозбуждением не использует внешнюю подпитку.
Известно, что при снятии напряжения со статора в «железе» остается остаточное магнитное поле. Это явление и используется в нашей простенькой схеме (Рис.3).
Ротор, вращаясь в остаточном магнитном поле, вырабатывает трехфазный переменный ток, который выпрямляется трехфазным диодным мостом. Полученное таким образом постоянное напряжение через контакты контактора КД подается на обмотки статора.
Динамическое торможение эффективно применяется на башенных кранах в режиме опускания груза. Двигатель в этом режиме расторможен, и груз раскручивает лебедку. Ротор вырабатывает переменный ток, который, выпрямляясь диодным мостом, притормаживает двигатель. Если груз ускоряется, ток увеличивается, создавая большее торможение. Груз приостанавливается, ток уменьшается, торможение ослабевает. Получается что-то вроде отрицательной обратной связи (знаете электронику?). Плавность посадки груза самого высокого уровня. Единственное, что плохо, — груз должен быть не легким. Легкий груз может не разогнать лебедку.
Добавить комментарий Отменить ответ
Источники: http://electricalschool.info/main/osnovy/259-asinkhronnye-jelektrodvigateli-s-faznym.html, http://podvi.ru/elektrodvigatel/asinxronnyj-dvigatel-s-faznym-rotorom.html, http://electriku.ru/rotor
