Как устроен якорь короткозамкнутого электрического двигателя

5.2. Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каж­дая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора — вто­ричной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнит­ной связи между этими обмотками.

По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рас­смотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис.5.2). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

Рис.5.2. Устройство трехфазного асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором:

1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов;

5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкну-

той обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы

Неподвижная часть двигателя — статор — состоит из корпуса // и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алю­миниевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

В корпусе расположен сердечник статора 10, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехничес­кой стали толщиной обычно 0,5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными свар­ными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция Сердеч­ника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникаю­щих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продоль­ные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соеди­ненные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за преде­лами сердечника по его торцовым сторонам. Конструкция короткозамкнутого ротора приведена на рис.5.3.

Рис.5.3. Конструкция короткозамкнутого ротора: а — беличья клетка; б — ротор с медной стержневой обмоткой; в — ротор с алюминиевой литой обмоткой;

1 — сердечник ротора; 2 — стержни; 3 — замыкающие кольца;

4 — лопасти вентилятора

Обмотка статора асинхронного электродвигателя может быть соединена звездой или треугольником. Схемы соединения представлены на рис.5.4

Рис.5.4. Схемы соединения выводов трехфазных обмоток электродвигателя:

а — звезда; б — треугольник

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 t₀ток 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 t₀, заметим, что вектор МДС обмотки статора F_mпо сравнению с его положением в момент вре­мени t₀повернулся 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 t₀до 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 частотойn₀кото­рая пропорциональна частоте переменного токаfи обратно пропорцио­нальна числу пар полюсов обмоток статора р, т.е.

,

Как устроен асинхронный двигатель. Принцип работы. Подключение.

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.

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 парами полюсов справедливо при частоте тока

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).

В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из металлических стержней (медь, бронза или алюминий), которые расположены в пазах и соединяются на концах закорачивающими кольцами (рис. 1). Соединение осуществляется методом пайки твердым припоем или сваркой. В случае применения алюминия или алюминиевых сплавов стержни ротора и закорачивающие кольца, включая лопасти вентилятора, расположенные на них, изготавливаются методом литья под давлением.

У ротора электродвигателя с контактными кольцами в пазах находится трёхфазная обмотка, похожая на обмотку статора, включённую, например, звездой; начала фаз соединяются с тремя контактными кольцами, закреплёнными на валу. При пуске двигателя и для регулировки частоты вращения можно подключить к фазам обмотки ротора реостаты (через контактные кольца и щётки). После успешного разбега контактные кольца замыкаются накоротко, так что обмотка ротора двигателя выполняет те же самые функции, что и в случае короткозамкнутого ротора.

Асинхронные электродвигатели широко применяются в тяжелой промышленности в качестве вспомогательных машин для компрессоров или выпрямительных установок.

Асинхронные электродвигатели имеют ряд преимуществ перед коллекторными, такие как: меньший износ якоря за счет отсутствия коллектора, вариативность управления, более высокий КПД и простота конструкции

Подробности про ротор

6.1 Классификация роторов асинхронного двигателя

По конструкции ротора асинхронного двигателя делится на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.

6.2 Устройство короткозамкнутого ротора АД

Короткозамкнутый ротор не имеет медных обмоток. Конструктивно он состоит из трех частей. Первая часть — это клетка из, как правило, алюминиевых стержней, которые упираются в два кольца по бокам. Клетка служит для создания наведенного магнитного поля, который будет взаимодействовать с вращающимся электромагнитным полем статора.

Вторая часть это вал, который жестко скреплен с клеткой. Вал служит для передачи момента вращения от клетки. Третья часть это тонкие стальные пластины, которые заполняют остальное пространство внутри клетки, и служат для выдавливания магнитного потока в алюминиевые стержни. Стальные пластины выполняют из тонкой стали, для уменьшения негативного термического воздействия вихревых токов. Как правило, боковые кольца имеют дополнительные лопасти, осуществляющие вентиляцию воздуха внутри двигателя.

6.3 Механические характеристики АД с КР

Механические характеристики для АД с КР бывают двух типов. Это графики зависимости M=f(S) и n2=f(M). Рассмотрим график M=f(S). На графике отображены 5 точек, обозначенных буквами.Точка «А» это точка, с параметром скольжения равным единице. Это означает, в этой точке скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля статора. Далее, точка «Б» это рабочая точка двигателя в номинальном режиме. Точка «В» это переломный момент на графике, когда магнитное поле статора максимально цепляет ротор и заставляет его крутиться. Если частота вращения ротора продолжает понижаться (на графике это отражается, как уменьшение скольжения) то сила сцепления поля статора с ротором ( создающий момент вращения) резко падает, что приводит к останову двигателя.

Второй график, показывающий зависимость частоты вращения вала от момента на валу, показывает реакцию электродвигателя (в виде наклона кривой) на изменение нагрузочного момента. Точка «А» это идеальный момент работы двигателя, когда скорость вращения ротора равна скорости вращения статора, то есть нагрузочного момента нет. В реальности такого никогда не бывает, поскольку есть расходы энергии на сопротивление подшипников, охлаждение двигателя, нагрев обмоток, перемагничивания полюсов и так далее. Точка «Б» характеризует номинальный момент работы двигателя. Точка «В» это точка максимального усилия электромагнитного поля по вращению ротора.

6.4 Устройство фазного ротора

Двигатель с фазным ротором имеет обмотку на роторе, концы которой выведены на кольца, закрепленные на валу ротора. Количество колец — три, по количеству подходящих фаз к двигателю.

При минимальном сопротивлении резисторов, обмотки ротора становятся короткозамкнутыми и график работы такого двигателя не отличается от обычного короткозамкнутого двигателя. Если изменять сопротивление фазного ротора, это делают с помощью введения дополнительных активных сопротивлений, подключаемых с помощью контакторов, то возникает возможность ступенчатой регулировку скорости. Фазный ротор подключается по схеме «звезда». Передача электроэнергии на сам ротор идет с помощью щёток, которые скользят по фазным кольцам.

6.5 Принцип работы фазного ротора

На схеме изображена механическая характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке, например кран с подвешенным грузом. На графике буквой «n» обозначена частота вращения ротора. Буквой «»M»» обозначена ось моментов. Пунктиром показан возможный рабочий график двигателя, состоящий из частей трех разных графиков, для трех разных состояний фазного ротора. Как правило, работу электродвигателя с фазным ротором принято описывать с помощью ступеней, или положений рукоятки, которым управляет оператор. Для удобства примем, что оператор начинает работу с 1ой ступени и заканчивает 3ей степенью.

Итак, оператор принял решение работать электродвигателем, и передвинул рукоятку управления на 1ую ступень. Эта ступень описывается формой красной кривой, на всем протяжении от горизонтальной до вертикальной оси. Все контакторы (на принципиальной схеме) разомкнуты и начинается работа двигателя с включением максимального активного сопротивления в схему. Оператора может устраивать такая работа, когда частота вращения ротора 50 оборотов в минуту, а может и нет. В любом случае двигатель должен всегда работать на частотах, когда развиваемый момент двигателя должен быть больше момента сопротивления, иначе он просто не сможет крутить вал. Кривая графика красного цвета является кривой, при котором ток в цепи ротора минимален, а развиваемый момент максимален на малых частотах вращения ротора. Возможно оператору понадобиться увеличить частоту работы двигателя. Тогда он примет решение перевести рукоять на ступень 2. При этом замыкаются контакторы ступени 2, которые уменьшают дополнительные сопротивление в цепи ротора. Ротор начинает работать по зеленой кривой. Если оператор переведет рукоять в ступень 3, то добавочные сопротивления в цепи станут равны нулю и ротор превратиться в короткозамкнутый и будет работать по синей характеристике. Точки «Т1» и «Т2» не обязательно должны быть в точке пересечений кривых, переключение может происходить в разные моменты времени. Это желательное состояние, для уменьшения разницы в моментах при переключении обмоток.

Асинхронные электродвигатели. Принцип работы

Асинхронные электродвигатели – это надёжное, долговечное и недорогое устройство, преобразующее электроэнергию в механическую и позволяющее решить много задач в работе вентиляции, компрессии, подъёмных механизмов и многие другие.

Возможно и бытовое применение электродвигателей с малой мощностью.

В конце XIX века учёным Михаилом Доливо-Добровольским был разработан асинхронный электродвигатель (электродвигатель переменного тока). А уже в 1893 г. была создана впервые в мире промышленная сеть переменного 3-фазного тока на базе элеватора в Новороссийске.
Сегодня невозможно представить не только производство, но и дом, в котором нет этого простого, но эффективного устройства.

Устройство асинхронного электродвигателя

Классическая конструкция двигателя включает в себя:

– неподвижная (статичная) часть двигателя имеет цилиндрическую форму. Для минимилизации потерь из-за вихревых токов (токи Фуко) сердечник статора делают из тонких стальных пластин, которые изолированы окалиной или скреплены лаком. Сердечник статора имеет пазы, куда крепятся обмотки под углом 120 градусов по отношению друг к другу.

– подвижная часть, бывает двух видов:

• Короткозамкнутый представляет собой сердечник, состоящий из алюминиевых стержней накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка);
• Фазный, состоящий из трёхфазной обмотки, соединённой звездой или треугольником, и помещённой в пазы шихтованного сердечника ротора.

Обе части разделены воздушным зазором.

Принцип работы асинхронного электродвигателя

Иногда можно встретить определение асинхронного двигателя как коллекторного либо индукционного. Это объясняется тем, что посредством вращающегося поля статора индуцируется ток в обмотке.

В основу принципа работы асинхронного электродвигателя положено вращение магнитного поля. То есть электродвигатель приводится в движение вследствии взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

Синхронной скоростью двигателя называют скорость вращения магнитного поля статора, а скорость вращения ротора асинхронной, потому как она отличается от скорости вращения магнитного поля статора на 2-3%, когда двигатель вращается в холостую, и примерно на 5-8% при нагрузке. Это отставание обусловлено тем, что при совпадении скорости магнитного поля статора и скорости ротора в обмотках ротора перестала бы наводиться ЭДС и вращающий момент не появится. Разность между скоростями поля статора и ротора называют скольжением.

Упрощенная теория

3.1 Упрощенное устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель имеет две основных части. Это статор, неподвижно закрепленный на станине и ротор, вращающийся внутри статора. Между ними обязательно должен быть воздушный зазор, как пространство для построения линий взаимодействующих магнитных полей ротора и статора. К обмоткам статора подводится кабель с трехфазным напряжением. Медные провода, расположенные в статоре, при протекании по ним электрического тока создают магнитное поле.

Поскольку переменный ток изменяется синусоидально, то магнитное поле особым образом уложенных проводов создает вращающееся магнитное поле, которое и заставляет крутиться ротор. Ротор передает движение через вал приемнику механической энергии.

3.2 Упрощенный принцип действия асинхронного двигателя

На самом деле, когда говорят, что в электродвигателе создается вращающееся магнитно поле, имеется виду, что создается два (в минимальном количестве, для одной пары полюсов) магнитных поля, которые создают иллюзию вращательного движения, по кругу, по которому размещены обмотки статора. Такой двигатель называют однополюсным. При обозначении количества пар полюсов в виде буквы «р» говорят, что р=1. В этой статье, для подробного объяснения электромагнитных процессов внутри электродвигателя рассмотрим этот самый упрощенный его вариант. Частота вращения вала двигателя равна 3000 оборотам в минуту. На анимации заметно человеческому глазу другая частота вращения ротора, немного отстающая от частоты вращения магнитных полей. Это явление называется скольжением и будет описано ниже.

Электромагнитная муфта показывает пример работы асинхронного двигателя. Вращающееся электромагнитное поле увлекает за собой ротор, аналогичный ротору асинхронного двигателя.

Для сравнения показана анимация работы электродвигателя с двумя парами полюсов. Частота вращения вала ротора такого двигателя снижена в два раза и ровна 1500 оборотов в минуту.

Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель – электрическая машина, работающая в двигательном режиме, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора и зависит также от нагрузки. Основа работы электродвигателя – преобразование электрической энергии в механическую. Трехфазный асинхронный электродвигатель был разработан и впервые создан в 1889 году русским ученым-электротехником М.О. Доливо-Добровольским. Совместно с разработкой двигателя Михаил Осипович разработал и осуществил впервые в мире в 1891 году систему передачи трехфазного тока на расстояние.

История появления

Первая теоретическая модель электродвигателя асинхронного типа появилась в 1888 году, которую разработал Галилео Феррарис. Однако в описании этой модели был сделан вывод о нецелесообразности этого типа двигателей. Но российским физиком Доливо-Добровольским были продолжены работы по разработке этого типа двигателей, которые воплотились в реальности и показали отличные технико-экономические характеристики. Несмотря на то, что с момента начала производства этого типа электродвигателя прошло много времени, современный асинхронный двигатель практически не отличается от прототипа. Производители смогли повысить надежность и основные характеристики, только за счет применения новых изоляционных материалов и увеличения теплоотдачи, но при этом принцип действия остался практически неизменным.

Строение асинхронного двигателя

Для того, чтобы разобраться в теории работы двигателя, нам надо рассмотреть из чего же он состоит.

1. Крышка клеммной коробки.
2. Клеммная коробка.
3. Стяжные болты корпуса.
4. Вал ротора.
5. Передняя крышка корпуса.
6. Опорная плита корпуса.
7. Корпус с ребрами охлаждения.
8. Информационная табличка завода-изготовителя («шильдик»).
9. Задняя крышка корпуса.
10. Дополнительный вентилятор охлаждения двигателя («вертушка»). «Вертушка» устанавливается не на все двигатели. Если предполагаемое место работы обеспечивает хорошее воздушное охлаждение, то потребности в дополнительном обдуве не требуются.

На самом же деле асинхронный двигатель состоит из трех частей (слева-направо): ротора, статора и корпуса, но главными частями считаются именно ротор и статор, о которых мы с вами и поговорим.

Когда возникает электромагнитный момент

Электромагнитный вращающий момент создается в результате взаимодействия тока, наведенного в подвижной части асинхронной машины, с совершающим вращательное движением магнитным полем от неподвижных катушек. Значения момента находится в пропорциональной зависимости от мощности электрических потерь в роторе. При расчете момента учитывается ряд параметров (например, напряжение в цепи питания и частота тока), которые не меняются в процессе работы электрической машины. В формуле присутствует коэффициент скольжения, оказывающий влияние на момент.

Его зависимость от скольжения

Кривая зависимости момента от коэффициента скольжения называется механической характеристикой асинхронного электродвигателя. Кривая состоит из участка генераторного режима, двигательного сектора и тормозного участка. Пик крутящего момента соответствует критическому значению скольжения, причем значение момента в режиме генератора выше аналогичного параметра в двигательном состоянии.

Статор асинхронного двигателя

Статор асинхронного двигателя представляет из себя сердечник, состоящий из пластин электротехнической стали и содержащий в себе медные обмотки, которые определенным образом уложены в пазах статора.

Как было упомянуто, сердечник статора состоит из пластин, которые изолированы друг от друга. С внутренней стороны статора есть пазы

в которые укладывается изоляция

Далее в эти пазы наматывается медный лакированный провод определенным образом, который представляет из себя обмотки статора

Асинхронный двигатель имеет три “куска” медного провода

Которые определенным образом уложены в пазы статора под углом в 120 градусов друг относительно друга.

Все 6 концов обмоточных проводов выведены в клеммную коробку, которая находится на корпусе двигателя.

Статор двигателя, а точнее, размеры сердечника, количество катушек в каждой обмотке и толщина моточного провода из которого намотаны катушки определяют основные параметры двигателя. Например, от числа катушек в каждой обмотке зависит номинальное число оборотов двигателя, а от толщины провода, которым они намотаны, зависит номинальная мощность двигателя. Количество обмоток для трехфазного асинхронного двигателя всегда равно трем. А вот количество катушек в каждой из этих обмоток разное. Катушки могут наматывать в один или два провода. Учитывая, что номинальное число оборотов двигателя обратно пропорционально номинальной нагрузке, можно смело сказать, что скорость вращения вала асинхронного двигателя будет уменьшаться при увеличении нагрузки. Если при работе двигателя начнут уменьшаться его обороты из-за роста нагрузки, то не остановка этого процесса может привести к полной остановке двигателя. Двигатель начнет сильно гудеть, вал ротора не будет крутиться – возникнет сильный нагрев катушек, с последующим разрушением изоляции моточного провода, что приведет к короткому замыканию и возгоранию обмоток.

Типы двигателей

Основные типы двигателей асинхронного типа:

1. Мотор однофазного типа, оборудованный ротором с короткозамкнутой намоткой. В конструкции статора предусмотрена рабочая намотка для 1-й фазы, но для раскрутки вала двигателя используется пусковой элемент. Дополнительные витки провода подключаются через конденсатор или катушку индуктивности. Схема коммутации обеспечивает сдвига фаз, позволяющий провернуть стальной ротор.
2. Двигатель двухфазного или конденсаторного типа, отличающийся повышенной эффективностью при коммутации к бытовой сети переменного тока напряжением 220 В. В конструкции статора предусмотрены 2 катушки, смонтированные под углом 90°. Первичная намотка коммутируется к сети напрямую, а вторичная подсоединяется через емкость, обеспечивающую смещение фазы.
3. Агрегат трехфазного типа оборудован 3 неподвижными обмотками, установленными через 120°. После подачи напряжения формируется вращающееся магнитное поле, обеспечивающее поворот вала с короткозамкнутыми витками провода. Выводы статора соединяются “звездой” или “треугольником”, что допускает применение электромотора при напряжении 220 или 380 В. Изделия подобной конструкции используются в станках и грузоподъемных механизмах.
4. Трехфазная машина с фазной обмоткой оснащается подвижным ротором с сердечником с пазами, в который уложены витки медного провода. В остальных конструкциях в сердечнике находятся алюминиевые элементы. Концы проводки, соединенной “звездой” выведены на коллекторные кольца, которые изолированы от стальной оси двигателя. При помощи щеток на кольца подается переменное напряжение, обеспечивающее при пуске увеличенный крутящий момент. Устройства используются в механизмах, включаемых под нагрузкой (например, лебедки лифтов).

Однофазный двигатель.

Существуют моторы с питанием роторных катушек при помощи несимметричного раствора щеток. В конструкции подвижного элемента установлены 2 катушки, которые подключены к внешней сети и к вторичной неподвижной намотке на статоре. Конструкция позволяет регулировать частоту вращения, но отличается повышенной сложностью и требует регулярного обслуживания.

Изделия использовались в 30-40-х гг. прошлого столетия для привода промышленного оборудования, но затем были вытеснены стандартными электродвигателями с фазными роторами.

Ротор асинхронного двигателя

Давайте более подробно рассмотрим, из чего же состоит ротор асинхронного двигателя.

Самая главная часть – это вал. Иначе, как бы происходило вращение?

На вал ротора с двух сторон надеваются подшипники, которые крепятся к передней и задней крышкам и центруют ротор ровно посередине статора.

Далее идет сердечник, набранный из листов специальной электротехнической стали, которые изолированы друг от друга. Кстати, сетевые трансформаторы собираются из такой же стали.

Как вы можете далее заметить, в сердечнике ротора есть специальные пазы

В них вставляются медные или алюминиевые стержни,

которые замыкаются на кольцо с обеих сторон, образуя так называемую “беличью клетку”.

В общем виде полностью собранный ротор асинхронного двигателя выглядит вот так.

А вот так он выглядит в реальном двигателе.

Всегда помните, что в асинхронном двигателе вращается ротор, а не статор. Статор – это неподвижная часть, а ротор – подвижная часть электродвигателя. В рабочем состоянии двигателя между ротором и статором всегда имеется воздушный зазор. При работе двигателя ротор ни в коем случае не должен задевать статор двигателя.

Область применения

Основные сферы применения электромоторов асинхронного типа:

• для привода шпинделей и вспомогательных механизмов металлообрабатывающих станков;
• для обеспечения движения конвейерных лент;
• для вращения рабочих колес вентиляторов и насосов, перекачивающих воду и агрессивные жидкости;
• для передачи крутящего момента к лебедкам грузоподъемной техники;
• для привода механизмов в автоматических системах.

Асинхронный двигатель в работе.

Информационная табличка на двигателе (шильдик)

Полную и достоверную информацию о двигателе можно узнать, если уметь «читать» шильдик. Точнее то, что на нем написано. Начнем описание шильдика рассматриваемого двигателя сверху вниз.

1. Название двигателя. Значок слева – эмблема завода-изготовителя, справа – знак качества СССР.
2. Слева: тип двигателя – в этом наборе букв и цифр кодировалась технологическая информация. В кодировку могли включить данные о: количестве катушек в одной обмотке; количество витков провода в одной катушке; скольким числом проводов намотаны катушки; тип лака, примененного для пропитки и т.д. Справа: заводской номер двигателя.
3. Слева направо: количество рабочих фаз; частота рабочего напряжения (Гц); мощность двигателя (W); cos φ – коэффициент мощности тока (параметр показывает, какое количество тока, взятого из сети, используется по назначению). Чем больше мощность, тем выше этот параметр.
4. Число оборотов в минуту вала двигателя; характеристики статора – по каким схемам можно соединять обмотки (треугольник или звезда); величина(ы) рабочего напряжения.
5. Ток, потребляемый двигателем, соответствующий каждой схеме соединения обмоток (в данном случае – 2,3 А при соединении «треугольником» и 1,33 А – «звездой»); коэффициент полезного действия (КПД), степень пыле- влагозащиты (IP44).
6. ГОСТ СССР, по которому сделан двигатель; класс изоляции, режим S1. Режим S1 означает, что это постоянный режим работы. В таком режиме двигатель может оставаться включенным в работу на длительное время.
7. Страна-производитель двигателя.

Способы подключения асинхронного двигателя

Как мы уже с вами узнали, асинхронный двигатель имеет три обмотки. На современный манер они обозначаются английскими буквами U,V,W. Начало каждой обмотки обозначается цифрой “1”, а конец обмотки цифрой “2”.

Поэтому, есть два способа соединения обмоток: звездой и треугольником.

Способ соединения “звезда”

Способ «звезда» подразумевает соединение одинаковых выводов обмоток (начала или концы обмоток) в одну (нулевую) точку.

В клеммной коробке двигателя это соединение будет иметь такой вид.

Как вы видите, в этом случае с помощью железных пластин мы закоротили концы обмоток в одну общую точку.

Соединение таким способом практикуется, в основном, на двигателях промышленного назначения. Часто завод-изготовитель, для таких двигателей, которые не будут реализовываться через розничную сеть, производит соединение «звездой» уже внутри статора. На корпус двигателя выводится не 6 клемм, а 3. В этом случае достаточно просто подать трехфазное напряжение. Поэтому, помните: если вы увидите, что у асинхронного двигателя только 3 провода, это значит, что его обмотки уже соединены по типу “звезда”.

Способ соединения “треугольник”

Соединение «треугольник» выполняется по схеме: конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец второй – с началом третьей, а конец третьей – с началом первой. В места соединения подается питающее трехфазное напряжение.

В двигателе это будет выглядеть вот таким образом.

Асинхронный или коллекторный: как отличить

Вообще, отличить тип двигателя можно по табличке — шильдику — на которой написаны его данные и тип. Но это только в том случае, если его не ремонтировали. Ведь под кожухом может быть что угодно. Так что если вы не уверены, лучше определить тип самостоятельно.

Так выглядит новый однофазный конденсаторный двигатель

Как устроены коллекторные движки

Отличить асинхронный и коллекторный двигатели можно по строению. У коллекторных обязательно есть щетки. Они расположены возле коллектора. Еще обязательный атрибут движка этого типа — наличие медного барабана, разделенного на секции.

Такие двигатели выпускаются только однофазные, они часто устанавливаются в бытовой технике, так как позволяют получить большое число оборотов на старте и после разгона. Также они удобны тем, что легко позволяют менять направление вращения — необходимо только поменять полярность. Несложно также организовать изменение скорости вращения — изменением амплитуды питающего напряжения или угла его отсечки. Потому и используются подобные двигатели в большей части бытовой и строительной техники.

Строение коллекторного двигателя

Недостатки коллекторных двигателей — высокая шумность работы на больших оборотах. Вспомните дрель, болгарку, пылесос, стиральную машину и т.д.. Шум при их работе стоит приличный. На малых оборотах коллекторные двигатели не так шумят (стиральная машина), но не все инструменты работают в таком режиме.

Второй неприятный момент — наличие щеток и постоянного трения приводит к необходимости регулярного технического обслуживания. Если токосъемник не чистить, загрязнение графитом (от стирающихся щеток) может привести к тому, что соседние секции в барабане соединятся, мотор попросту перестанет работать.

Асинхронные

Асинхронный двигатель имеет статор и ротор, может быть одно и трёхфазным. В данной статье рассматриваем подключение однофазных двигателей, потому речь пойдет только о них.

Асинхронные двигатели отличаются невысоким уровнем шумов при работе, потому устанавливаются в технике, шум работы которой критичен. Это кондиционеры, сплит-системы, холодильники.

Строение асинхронного двигателя

Есть два типа однофазных асинхронных двигателей — бифилярные (с пусковой обмоткой) и конденсаторные. Вся разница состоит в том, что в бифилярных однофазных двигателях пусковая обмотка работает только до разгона мотора. После она выключается специальным устройством — центробежным выключателем или пускозащитным реле (в холодильниках). Это необходимо, так как после разгона она только снижает КПД.

В конденсаторных однофазных двигателях конденсаторная обмотка работает все время. Две обмотки — основная и вспомогательная — смещены относительно друг друга на 90°. Благодаря этому можно менять направление вращения. Конденсатор на таких двигателях обычно крепится к корпусу и по этому признаку его несложно опознать.

Более точно определить бифилярный или конденсаторный двигатель перед вами, можно при помощи измерений сопротивления обмоток. Если сопротивление вспомогательной обмотки больше в два раза (разница может быть еще более значительная), скорее всего, это бифилярный двигатель и эта вспомогательная обмотка пусковая, а значит, в схеме должен присутствовать выключатель или пусковое реле. В конденсаторных двигателях обе обмотки постоянно находятся в работе и подключение однофазного двигателя возможно через обычную кнопку, тумблер, автомат.

Восстановление маркировки обмоток

Если точнее, маркировка обмоток нужна только для определения направления намотки катушек обмотки. Конец и начало обмотки обозначают только с этой целью. Дело в том, что при включении обмотки в работу в ней начинают возникать вихревые токи, которые движутся по направлению «от начала к концу». Если обмотки включить по принципу «начало с началом, конец с концом», то токи суммируются, обмотки превратятся в один большой резистор и возникнет огромный суммарный ток. Двигатель начнет сильно гудеть и не будет вращаться. Очень быстро начнут нагреваться обмотки, и двигатель сгорит. Причем, вполне возможно, вспыхнет настоящее пламя оранжево-синего цвета с очень вредным и неприятным запахом.

Существует способ определения концов и начал обмоток.

Весь этот процесс очень хорошо показан на видео. Автор этого видео использовал для проверки сетевое напряжения в 220 Вольт, что я крайне не рекомендую делать. Используйте понижающие трансформаторы, либо автотрансформатор.

Принцип работы

При подведении напряжения к неподвижным обмоткам трехфазного мотора асинхронного типа в фазах формируется магнитное переменное поле. Поток изменяется в соответствии с частотой подведенного тока. Поскольку в конструкции узла использованы 3 катушки, то сформированные потоки имеют смещение по времени и пространству на 120°. Итоговый индукционный поток вращается, пересекая центральный подвижный сердечник и обеспечивая наводку разницы потенциалов в коротко замкнутых проводниках, расположенных в теле ротора.

Поскольку цепи замкнуты, то электродвижущая сила формирует ток, вступающий во взаимодействие с подвижным магнитным полем от намотки статора. В результате искажения поля формируется крутящий момент, стремящийся провернуть вал в сторону движения магнитной индукции от неподвижной обмотки. Нарастающий крутящий момент преодолевает силы торможения ротора (из-за веса детали, приложенной внешней нагрузки и силы трения в подшипниковых опорах), что приводит к началу раскрутки вала 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.

Управление

7.1 регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Существует несколько способов регулирования частоты вращения ротора. Самые известные из них это введение активного сопротивления в схему ротора (способ описанный выше) и второй это частотное регулирование. Для этого стандартное промышленное электропитание выпрямляется до постоянного напряжения 380* √2=536 вольт. Для сглаживания пульсаций служит расположенный посредине схемы конденсатор. И далее выпрямленное напряжение, с помощью трехфазной схемы из шести транзисторов или тиристоров, каждый из которых отвечает за свою полуволну, превращается в переменное напряжение управляемой частоты и амплитуды.

7.2 Подключение с помощью нереверсивной схемы

Рассмотрим подключение асинхронного двигателя к трехфазной сети. Вся схема делится на две основных части, это силовая часть, расположенная слева и линии управления, расположенные справа. Силовая часть на чертеже прерывается тремя размыкателями. Рассмотрим их сверху вниз. Первое устройство, с обозначением QF, это автоматический трехфазный выключатель. Второе устройство, с обозначением КМ, это силовые контакты магнитного пускателя. Третье устройство, с обозначением КК, это силовые контакты теплового реле. Во вспомогательной части имеются кнопки «Стоп» и «Пуск», при нажатии которых напряжение подается на катушку магнитного пускателя, которая , подключает электродвигатель к сети трехфазного напряжения. Линия , после катушки магнитного пускателя может обрываться управляющим сигналом от теплового реле. Тепловое реле срабатывает при превышении допустимого тока через него.

7.3 Подключение с помощью реверсивной схемы

На рисунке отображена схема управления, позволяющая электродвигателю работать в двух разных направлениях. Эта схема меняет две фазы из трех между собой, в следствии чего сменяется последовательность направляющих усилий каждой фазы и меняется суммарное направление вращение магнитного поля. Управление реализовано с помощью двух контакторов, каждый из которых подключает к трехфазному питанию свою последовательность фаз.

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором

Электрические машины переменного тока получили широкое распространение за счет регулируемой скорости вращения. Но их запуск сопровождается перегрузками с превышением номинальной мощности до 10 раз, и всегда есть риск перегорания витков. В качестве решения проблемы используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Ниже будет рассмотрена его особенность и конструктивные преимущества.

Виды электрических машин

Электромоторы работают путем преобразования электрического тока в механическую энергию. При работе на статоре возбуждается магнитное поле — электродвижущая сила. Она инициирует вращение вала, к которому присоединяются рабочие механизмы.

По способу возбуждения и приведения в движение существует различие двух видов электродвигателей:

• Синхронные.
  Магнитное поле статора и подвижный механизм вращаются с одной скоростью. Поэтому для запуска достаточно подать номинальный ток на обмотку якоря и статора. Эти двигатели не получили широкого распространения из-за существенного ограничения — невозможность регулирования скорости вращения в процессе работы.
• Асинхронные.
  У данных электромоторов скорость вращения магнитного поля выше по отношению к якорю. Избыточный угловой запас позволяет регулировать крутящий момент работающего агрегата.

Благодаря этому можно использовать асинхронные моторы с несколькими скоростными режимами. Но остается проблема с избытком мощности при запуске.

Как устроен асинхронный электродвигатель

Эти электрические машины отличаются практичностью и возможностью изменять скорость вращения в процессе работы. Но в первичной конструкции они имели два недостатка:

1. Вынужденная подача тока с превышением номинальной мощности для запуска.
2. Эффект скольжения — подача различного тока на обмотку возбуждения статора и якоря.

Первая проблема решена плавным пуском. Со второй сложнее — снижение тока на статоре асинхронного двигателя приводит к спаду и на якоре. Исключением являются электрические машины с независимым возбуждением обмоток. Но их конструкция усложнена и включает дополнительные компоненты, а с ними большее число возможных поломок.

В качестве простого и эффективного решения проблемы избыточной ЭДС на статоре были разработаны асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В отличие от других типов агрегатов, основное назначение имеет статор.

Конструкция короткозамкнутого ротора

Якорь соединен с цепью питания с помощью дополнительного элемента — вся конструкция по строению напоминает беличью клетку. На обоих концах стержня короткозамкнутого ротора установлены токопроводящие замкнутые кольца:

• одно соединено с обмоткой возбуждения;
• другой элемент включен в цепь питания для подачи или токосъема.

Кольца соединены группой стержней, устроены параллельно друг к другу, но не по отношению к плоскости вращения магнитного поля. За проводником идут подшипниковые узлы.

У маломощных асинхронных двигателей якорь замкнут алюминиевыми стержнями. У крупных дорогостоящих агрегатов медные детали с более высокой удельной теплоемкостью. Выпускаются и специальные машины для конкретных задач, у которых проводники состоят из конкретного сплава. Кольца и стержни «беличьей клетки» могут быть выполнены из разных токопроводящих материалов.

Всю область якоря с проводником и подшипниковыми узлами на концах принято называть сердечником. Вокруг облачается листами большой толщины из стали, основное назначение которых в защите мотора. Между сердечником и оболочкой внутри, а также ней и статором расстояния минимальны.

Принцип действия

При запуске асинхронного электродвигателя ток подается на «беличью клетку», проходит через стержни и поступает на обмотку якоря через проводниковое кольцо. Параллельно питание идет на статор, возбуждается электродвижущая сила. Вращающееся магнитное поле начинает действовать на якорь, приводя его в движение. При этом на ток в его обмотке нет никакого влияния из-за непараллельного расположения стержней.

Такая конфигурация асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором обладает несколькими достоинствами:

1. Якорь не испытывает перегрузок.
   Витки не разрушаются при сбоях в питании статора. На случай поступления сверхтоков возросшее сопротивление не деформирует стержни. Их теплоемкость находится значительно выше обычных проводов.
2. Проводниковые стержни надежнее обычной проволоки.
   Питание или токосъем может происходить со сбоями в цепи питания. В случае замыкания якоря «беличьей клеткой» накоротко не будет нанесен существенный урон. Также элемент выдерживает механическое воздействие (чего не хватает щеткам, которые часто разрушаются при падении или неаккуратном обслуживании).
3. Упрощенное обслуживание.
   Кольца и стержни сложно деформировать в результате неаккуратного обращения. Это снижает вероятность повреждения обмотки короткозамкнутого ротора при погрузке, разборе или транспортировке.

Это все делает асинхронный электромотор с короткозамкнутым ротором практичным и доступным. Его использование на производстве снижает себестоимость выпускаемых изделий. А применение в насосах и вентиляторах снижает их цену.

Сопротивление проводника

Для выходной мощности электрической машины и характеристик ее КПД большое значение имеет сопротивление материала. В большинстве двигателей оно значительно снижает эффективность электрического тока. Но с короткозамкнутым ротором сопротивление минимизировано:

1. У стержней между внешними кольцами малая длина, что позволяет снизить потери тока до поступления на обмотку якоря.
2. За счет ранее упомянутой ранее высокой удельной теплоемкости «беличья клетка» не нагревается от перегрузок. Следовательно, ее сопротивление не будет возрастать от нагрева в процессе работы мотора.

С этими качествами КПД асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором достигает 94%.

Типы асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором

Большинство асинхронных двигателей отличаются количеством обмоток якоря, определяющим фазность. Но у агрегатов с короткозамкнутым ротором различное число обмоток на неподвижном статоре.

Однофазные

У таких асинхронных моторов с короткозамкнутым ротором единый проводник из витков вокруг статора, и они представлены маломощными агрегатами до 5 кВт. Предназначены для подключения к однофазной сети питания 220В с частотой 50 Гц. Применение агрегатов встречается в следующих бытовых устройствах: вентиляторы, циркуляционные насосы, мини-компрессоры.

Двухфазные

В этих асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором две одинаковые обмотки статора, расположенные симметрично по отношению друг к другу. Они питаются от одной фазы попеременно. Переключение между обмотками выполняется каждую пол-оборота с помощью фазного конденсатора.

Двухфазные электрические машины с короткозамкнутым ротором бывают мощностью до 50 кВт и предусматривают подключение к однофазной сети. Это преимущественно более мощные аналоги агрегатов с однофазным двигателем, применяемые в сетевых насосных станциях, компрессорах, турбинах.

Трехфазные

Обмотки статора устроены по схеме треугольника, и каждая их часть уложена в пазы под углом 120°. В отличие от двухфазных аналогов, у этих асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором каждая обмотка подключена к отдельной фазе.

Такой принцип действия позволяет собрать электрическую машину высоких характеристик с мощностью 1000 кВт и более. При выходе на номинальную мощность никаких перегрузок не произойдет:

• на каждую обмотку статора идет лишь 1/3 силы переменного тока;
• «беличья клетка» короткозамкнутого ротора обладает большей удельной теплоемкостью по сравнению с щетками.

Эти особенности и делают сверхмощные асинхронные электромоторы с короткозамкнутым ротором практичными и долговечными. На трехфазные машины приходится 90% всех промышленных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Они применяются для больших турбин, обрабатывающих станков, конвейеров и иных рабочих механизмов.

Единственное ограничение таких асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором — возможность работы только от трехфазной сети. У них (как и двухфазных агрегатов) обмотка статора бывает двух видов:

• Явнополюсная.
  Количество обмоток соответствует фазности электрической машины, и они расположены симметрично.
• Неявнополюсная.
  Большое число (12, 15, и более) обмоток статора в симметричной схеме расположения. Визуально полюсов в такой конфигурации нет, но каждая группа подключена к своим фазам (например, если у статора 12 обмоток, к каждой фазе будет подключено по 4).

У неявнополюсных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором группа проводников имеет параллельное подключение к своей фазе. В результате на каждую приходится минимальная нагрузка и на практике проявляются значимые достоинства:

• отсутствие перегрузок на одной из обмоток;
• высокий КПД более 90%.

Даже в случае механического повреждения или перегрева одной из обмоток произойдет лишь небольшое падение скорости вращения, а не резкая остановка оборудования. Оператор сразу же заметит дефектную работу и примет меры.

Способы возбуждения ЭДС

В зависимости от схемы питания асинхронного электромотора с короткозамкнутым ротором проводники возбуждаются двумя основными способами:

• Параллельно.
  Ток подается от одного источника, но на участке цепи между питанием и обмоткой статора присутствует усилитель. Он необходимо для повышения тока, в противном случае скорость вращения будет одинаковой. У двухфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором функцию усилителя и фазного конденсатора может выполнять одно устройство.
• Независимо.
  Обмотка статора и короткозамкнутого ротора возбуждается разными источниками питания с отличным током. Такой способ запуска более надежный, т.к. на случай сбоев с питанием на якоре, действующее магнитное поле поддержит его движение на некоторый момент. Если же отключается питание у обмотки статора, короткозамкнутый ротор немного провернется от питания якоря и только потом остановится. Это исключает резкую остановку асинхронной машины и поломку рабочих механизмов.

У трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором каждая обмотка статора со схемой треугольника по умолчанию возбуждается параллельно. Но можно сделать последовательную подачу тока в каждой фазе, что создаст некоторый эффект плавного пуска.

Такое включение можно организовать, когда запуск рабочих механизмов не регламентирован, и нужно решить проблему избыточного тока. Последовательное пофазное питание обмоток асинхронного электромотора возможно лишь при независимом возбуждении магнитного поля статора.

Практические преимущества

У короткозамкнутого ротора выше удельное сопротивление. Благодаря этому обмотка якоря выдерживает многократные перегрузки при включении, что дает много преимуществ:

1. Можно без риска использовать сверхмощные асинхронные машины, у которых пусковая нагрузка в десятки выше номинальной мощности.
2. Возможен грубый запуск и использование устройства плавного пуска зависит лишь от требований к эксплуатации рабочих механизмов (конвейеров, рабочих колес насосов и др.).
3. При сбоях на источнике питания первой перегорит обмотка статора, которую проще заменить.

Эти основные достоинства делают асинхронный электромотор с короткозамкнутым ротором более предпочтительным по сравнению с аналогами иной конфигурации.

Техническое обслуживание
электрических машин © ООО «Хельд ремонт»
ИНН 7811781566
КПП 781101001

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Учитывая то, что электроснабжение традиционно осуществляется путём доставки потребителям переменного тока, понятно стремление к созданию электромашин, работающих на поставляемой электроэнергии. В частности, переменный ток активно используется в асинхронных электродвигателях, нашедших широкое применение во многих областях деятельности человека. Особого внимания заслуживает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который в силу ряда причин занял прочные позиции в применении.

Секрет такой популярности состоит, прежде всего, в простоте конструкции и дешевизне его изготовления. У электромоторов на короткозамкнутых роторах есть и другие преимущества, о которых вы узнаете из данной статьи. А для начала рассмотрим конструктивные особенности этого типа электрических двигателей.

Конструкция

В каждом электромоторе есть две важных рабочих детали: ротор и статор. Они заключены в защитный кожух. Для охлаждения проводников обмотки на валу ротора установлен вентилятор. Это общий принцип строения всех типов электродвигателей.

Конструкции статоров рассматриваемых электродвигателей ничем не отличаются от строения этих деталей в других типах электромоторов, работающих в сетях переменного тока. Сердечники статора, предназначенного для работы при трехфазном напряжении, располагаются по кругу под углом 120º. На них устанавливаются обмотки из изолированной медной проволоки определённого сечения, которые соединяются треугольником или звездой. Конструкция магнитопровода статора жёстко крепится на стенках цилиндрического корпуса.

Строение электродвигателя понятно из рисунка 1. Обратите внимание на конструкцию обмоток без сердечника в короткозамкнутом роторе.

Рис. 1. Строение асинхронного двигателя с КЗ Ротором

Немного по-другому устроен ротор. Конструкция его обмотки очень похожа на беличью клетку. Она состоит из алюминиевых стержней, концы которых замыкают короткозамыкающие кольца. В двигателях большой мощности в качестве короткозамкнутых обмоток ротора можно увидеть применение медных стержней. У этого металла низкое удельное сопротивление, но он дороже алюминия. К тому же медь быстрее плавится, а это не желательно, так как вихревые токи могут сильно нагревать сердечник.

Конструктивно стержни расположены поверх сердечников ротора, которые состоят из трансформаторной стали. При изготовлении роторов сердечники монтируют на валу, а проводники обмотки впрессовывают (заливают) в пазы магнитопровода. При этом нет необходимости в изоляции пазов сердечника. На рисунке 2 показано фото ротора с КЗ обмотками.

Рис. 2. Ротор асинхронного двигателя с КЗ обмотками

Пластины магнитопроводов таких роторов не требуют лаковой изоляции поверхностей. Они очень просты в изготовлении, что удешевляет себестоимость асинхронных электродвигателей, доля которых составляет до 90% от общего числа электромоторов.

Ротор асинхронно вращается внутри статора. Между этими деталями устанавливаются минимальные расстояния в виде воздушных зазоров. Оптимальный зазор находится в пределах от 0,5 мм до 2 мм.

В зависимости от количества используемых фаз асинхронные электродвигатели можно разделить на три типа:

;
• двухфазные;
• трёхфазные.

Они отличаются количеством и расположением обмоток статора. Модели с трехфазными обмотками отличаются высокой стабильностью работы при номинальной нагрузке. У них лучшие пусковые характеристики. Зачастую такие электродвигатели используют простую схему пуска.

Двухфазные двигатели имеют две перпендикулярно расположенных обмотки статора, на каждую из которых поступает переменный ток. Их часто используют в однофазных сетях – одну обмотку подключают напрямую к фазе, а для питания второй применяют фазосдвигающий конденсатор. Без этой детали вращение вала асинхронного электродвигателя самостоятельно не начнётся. В связи с тем, что конденсатор является неотъемлемой частью двухфазного электромотора, такие двигатели ещё называют конденсаторными.

В конструкции однофазного электродвигателя используют только одну рабочую обмотку. Для запуска вращения ротора применяют пусковую катушку индуктивности, которую через конденсатор кратковременно подключают к сети, либо замыкают накоротко. Эти маломощные моторчики используются в качестве электрических приводов некоторых бытовых приборов.

Принцип работы

Функционирование асинхронного двигателя осуществляется на основе свойства трёхфазного тока, способного создавать в обмотках статора вращающее магнитное поле. В рассматриваемых электродвигателях синхронная частота вращения электромагнитного поля связана прямо пропорциональной зависимостью с собственной частотой переменного тока.

Существует обратно пропорциональная зависимость частоты вращения от количества пар полюсов в обмотках статора. Учитывая то, что сдвиг фаз составляет 60º, зависимость частоты вращения ротора (в об/мин.) можно выразить формулой:

В результате действия магнитной индукции на сердечник ротора, в нём возникнет ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает появление электрического тока в замкнутом проводнике. Возникнет сила Ампера, под действием которой замкнутый контур начнёт вращение вдогонку за магнитным полем. В номинальном режиме работы частота вращения ротора немного отстаёт от скорости вращения создаваемого в статоре магнитного поля. При совпадении частот происходит прекращение магнитного потока, ток исчезает в обмотках ротора, вследствие чего прекращается действие силы. Как только скорость вращения вала отстанет, переменными токами магнитных полей, возобновляется действие амперовой силы.

Разницу частот вращения магнитных полей называют частотой скольжения: n_s=n₁–n₂, а относительную величину s, характеризующую отставание, называют скольжением.

s = 100% * ( n_s / n₁) = 100% * (n₁ — n₂) / n_{1 ,} где n_s – частота скольжения; n_1, n₂ – частоты вращений статорных и роторных магнитных полей соответственно.

С целью уменьшения гармоник ЭДС и сглаживания пульсаций момента силы, стержни короткозамкнутых витков немного скашивают. Взгляните ещё раз на рис. 2 и обратите внимание на расположение стержней, выполняющих роль обмоток ротора, относительно оси вращения.

Скольжение зависит от того, какую механическую нагрузку приложено к валу двигателя. В асинхронных электромоторах изменение параметров скольжения происходит в диапазоне от 0 до 1. Причём в режиме холостого хода набравший обороты ротор почти не испытывает активного сопротивления. S приближается к нулю.

Увеличение нагрузки способствует увеличению скольжения, которое может достигнуть единицы, в момент остановки двигателя из-за перегрузки. Такое состояние равносильно режиму короткого замыкания и может вывести устройство из строя.

Относительная величина отставания соответствующая номинальной нагрузке электрической машины называется номинальным скольжением. Для маломощных электромоторов и двигателей средней мощности этот показатель изменяется в небольших пределах – от 8% до 2%. При неподвижности ротора электродвигателя скольжение стремится к 0, а при работе на холостом ходу оно приближается к 100%.

Во время запуска электромотора его обмотки испытывают нагрузку, что приводит к резкому увеличению пусковых токов. При достижении номинальных мощностей электрические двигатели с короткозамкнутыми витками самостоятельно восстанавливают номинальную частоту ротора.

Обратите внимание на кривую крутящего момента скольжения, изображённую на рис. 3.

Рис. 3. Кривая крутящего момента скольжения

При увеличении крутящего момента коэффициент s изменяется от 1 до 0 (см. отрезок «моторная область»). Возрастает также скорость вращения вала. Если скорость вращения вала превысит номинальную частоту, то крутящий момент станет отрицательным, а двигатель перейдёт в режим генерации (отрезок «генерирующая область»). В таком режиме ротор будет испытывать магнитное сопротивление, что приведёт к торможению мотора. Колебательный процесс будет повторяться, пока не стабилизируется крутящий момент, а скольжение не приблизится к номинальному значению.

Преимущества и недостатки

Повсеместное использование асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• стабильностью работы на оптимальных нагрузках;
• высокой надёжностью в эксплуатации;
• низкие эксплуатационные затраты;
• долговечностью функционирования без обслуживания;
• сравнительно высокими показателями КПД;
• невысокой стоимостью, по сравнению с моделями на основе фазных роторов и с другими типами электромоторов.

Из недостатков можно отметить:

• высокие пусковые токи;
• чувствительность к перепадам напряжений;
• низкие коэффициенты скольжений;
• необходимость в применении устройств, таких как преобразователи частоты, пусковые реостаты и др., для улучшения характеристик электромотора;
• ЭД с короткозамкнутым ротором нуждаются в дополнительных коммутационных управляющих устройствах, в случаях, когда возникает необходимость регулировать скорость.

Электродвигатели данного типа имеют приличную механическую характеристику. Несмотря на недостатки, они лидируют по показателям их применения.

Основные технические характеристики

В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики меняются. В рамках данной статьи не ставится задача приведения параметров всех существующих классов двигателей. Мы остановимся на описании основных технических характеристик для электромоторов классов 56 А2 – 80 В2.

В этом небольшом промежутке на линейке моделей эелектромоторов с короткозамкнутыми роторами можно отметить следующее:

Мощность составляет от 0,18 кВт (класс 56 А2) до 2,2 кВт (класс 80 В2).

Ток при максимальном напряжении – от 0,55 А до 5А.

КПД от 66% до 83%.

Частота вращения вала для всех моделей из указанного промежутка составляет 3000 об./мин.

Технические характеристики конкретного двигателя указаны в его паспорте.

Подключение

Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.

Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.

Схемы включения понятны из рисунка 4.

Рис. 4. Схемы подключения

Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.

Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть

С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.