Асинхронный двигатель с фазным ротором

• Введение
• Асинхронные электродвигатели
• Короткозамкнутый ротор. Ротор асинхронной машины типа «беличья клетка»
• Способы управления асинхронным двигателем
• Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором
• Принцип работы асинхронных электродвигателей
• Фазный ротор
• Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором
• Способы управления асинхронным двигателем
• Реостатное регулирование
• Заключение
• Список литературы

Трехфазный асинхронный электрический двигатель отличается от однофазного асинхронного двигателя тем, что на однофазном двигателе, точнее на его статоре, помещена однофазная обмотка, и называется главной обмоткой или же рабочей обмоткой.

Ротор однофазного двигателя по построению такой же, как и трехфазный асинхронный двигатель. Однофазные асинхронные электрические двигатели находят большое использование небольшой мощности — до 2 кВт. Однофазные асинхронные электрические двигатели мощностью до 500 Вт используют в бытовых электрических устройствах. Начальный (пусковой) вращающий момент отсутствует у электрических однофазных асинхронных двигателей. Отчего при подключении главной обмотки двигателя в сеть с одной фазой его ротор не может совершать обороты.

Для обеспечения запуска однофазного двигателя, на статоре устанавливают ещё одну обмотку — пусковую. Относительно главной обмотки она расположена под углом 90° и соединена последовательно с конденсатором или катушкой индуктивности. На момент подключения в сеть пусковой и главной обмоток образовываемые ими магнитные потоки создают вращающееся магнитное поле. Благодаря чему в роторе появляется индукционный ток. Вследствие взаимодействия вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в обмотках статора и магнитного поля, создаваемого индукционным током в роторе, ротор приходит во вращение.

На время вращения ротора, образуется скольжение, следовательно, пусковая обмотка в таком случае просто не нужна и её отключает инерционный (центробежный) выключатель или специальное реле. Трехфазный асинхронный двигатель можно использовать и в качестве однофазного. Но недостаток такого метода заключается в необходимости использования дорогостоящих конденсаторов большой емкости, поскольку на каждые 100 Вт мощности требуется конденсатор с емкостью приблизительно 10 мкФ

Асинхронные электродвигатели

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.

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. В России асинхронными машинами стали называть машины, которые являются индукционными.

Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Достоинства асинхронных электродвигателей:

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

Недостатки:

1. Небольшой пусковой момент.

2. Значительный пусковой ток.

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл. град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют 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 электротехнической стали и шихтованным.

Короткозамкнутый ротор. Ротор асинхронной машины типа «беличья клетка»

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличья клетка» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.

асинхронный двигатель фазный ротор Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами. Для улучшения пусковых характеристик асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, а именно, увеличения пускового момента и уменьшения пускового тока, на роторе применяют специальную форму паза. При этом внешняя от оси вращения часть паза ротора имеет меньшее сечение чем внутренняя. Это позволяет использовать эффект вытеснения тока, за счет которого увеличивается активное сопротивление обмотки ротора при больших скольжениях (при пуске).

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание. При специальной конструкции ротора, когда магнитопровод «ротора» остается неподвижным, а вращается в магнитном зазоре только полый цилиндр из алюминия (беличья клетка или короткозамкнутая обмотка ротора) можно достичь малой инерционности двигателя.

Способы управления асинхронным двигателем

Под управлением асинхронным двигателем переменного тока понимается изменение частоты вращения ротора и/или его момента. Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем:

§ реостатный — изменение частоты вращения АД с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора, кроме того это увеличивает пусковой момент;

§ частотный — изменение частоты вращения АД путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь;

§ переключением обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник» в процессе пуска двигателя, что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза, но в то же время снижается и момент;

§ импульсный — подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного);

§ введение добавочной э. д. с с согласно или противонаправлено с частотой скольжения во вторичную цепь.

§ изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно (только для к. з. роторов);

§ изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны (автотрансформаторный пуск);

§ фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления;

§ амплитудно-фазовый способ включает в себя два описаных способа;

§ включение в цепь питания статора реакторов;

§ индуктивное сопротивление для двигателя с фазным ротором.

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.

Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток — ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка — сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

На рис. приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 — станина, 2 — обмотка статора, 3 — ротор, 4 — контактные кольца, 5 — щетки.

У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными на валу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины. На рис. приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.

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. щ1=2рf/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 щ2 не равна угловой скорости магнитного поля щ1, называемой синхронной. Отсюда и название двигателя асинхронный, т. е. несинхронный.

Работа асинхронной машины характеризуется скольжением s, которое представляет собой относительную разность угловых скоростей поля щ1 и ротора щ2: s= (щ1-щ2) /щ1

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: щ2=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 щ2>щ1 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=1ч0), генераторный (s=0ч-?) режимы и режим противовключення (s=1ч+?). Режимы генераторный и противовключения используют для торможения асинхронных двигателей.

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трехфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведенную на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора:

§ включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы. Снижая пусковой ток, добиваются увеличения пускового момента до максимального значения (в первый момент времени). Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке или требующих плавного регулирования скорости.

§ включают индуктивности (дроссели) в каждую фазу ротора. Сопротивление дросселей зависит от частоты протекающего тока, а, как известно, в роторе в первый момент пуска частота токов скольжения наибольшая. По мере раскрутки ротора частота индуцированных токов снижается, и вместе с нею снижается сопротивление дросселя. Индуктивное сопротивление в цепи фазного ротора позволяет автоматизировать процедуру запуска двигателя, а при необходимости — «подхватить» двигатель, у которого упали обороты из-за перегрузки. Индуктивность держит токи ротора на постоянном уровне.

§ включают источник постоянного тока, получая таким образом синхронную машину.

§ включают питание от инвертора, что позволяет управлять оборотами и моментными характеристиками двигателя. Это особый режим работы (машина двойного питания). Возможно включение напряжения сети без инвертора, с фазировкой, противоположной той, которой запитан статор.

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором

Пусковые условия асинхронного двигателя с фазной обмоткой ротора можно существенно улучшить ценой некоторого усложнения конструкции и обслуживания двигателя.

Т.к. активное сопротивление фазной обмотки ротора относительно мало, то для получения максимального начального пускового момента необходимо в цепь ротора включить пусковой реостат с сопротивлением фазы

Как только ротор начинает вращаться, уменьшается скольжение, а в месте с ним ЭДС и ток ротора, вследствие чего уменьшается вращающий момент. Чтобы двигатель продолжал развивать вращающий момент, близкий к максимальному, сопротивление пускового реостата нужно постепенно уменьшать. Наконец когда двигатель достигает номинальной частоты вращения, пусковой реостат замыкают накоротко.

Для уменьшения механических потерь и износа колец и щеток двигатели снабжаются иногда приспособлением для подъема щеток и замыкания колец накоротко.

Чем больше должен быть пусковой момент, чем ближе он к максимальному моменту, тем больше будет и пусковой ток. По этой причине лишь для особо тяжелых условий пуска реостат подбирается так, чтобы пусковой момент был равен максимальному.

Чтобы пусковой реостат в течение времени пуска не перегревался, его мощность должна примерно равняться мощности двигателя. Для двигателей большой мощности пусковые реостаты изготавливаются с масляным охлаждением.

Конечно, применение пускового реостата значительно улучшает пусковые условия асинхронного двигателя, повышая пусковой момент и уменьшая пусковой ток.

Способы управления асинхронным двигателем

Под управлением асинхронным двигателем переменного тока понимается изменение частоты вращения ротора и/или его момента. Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем:

§ реостатный — изменение частоты вращения АД с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора, кроме того это увеличивает пусковой момент;

§ частотный — изменение частоты вращения АД путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь;

§ переключением обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник» в процессе пуска двигателя, что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза, но в то же время снижается и момент;

§ импульсный — подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного);

§ введение добавочной э. д. с с согласно или противонаправлено с частотой скольжения во вторичную цепь.

§ изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно (только для к. з. роторов);

§ изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны (автотрансформаторный пуск);

§ фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления;

§ амплитудно-фазовый способ включает в себя два описаных способа;

§ включение в цепь питания статора реакторов;

§ индуктивное сопротивление для двигателя с фазным ротором.

Реостатное регулирование

В трехфазных асинхронных двигателях с фазным ротором применяется реостатный способ регулирования частоты вращения ротора. Это достигается введением в цепь фазных обмоток ротора регулируемого трехфазного реостата, как при пуске двигателя. Но этот реостат должен быть рассчитан на длительную нагрузку током ротора, а не на кратковременную, как пусковой реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора изменяет характеристику М_вр (s) — делает ее более мягкой. Если при постоянном моменте на валу двигателя увеличивать активное сопротивление цепи ротора путем постепенного увеличения сопротивления реостата (r_p1<r_p2<r_p3), то рабочая точка будет с одной кривой М_вр (s) на следующую, соответствующую возросшему сопротивлению цепи ротора, соответственно чему растет скольжение, а, следовательно, уменьшается частота вращения двигателя. Этим путем можно изменять частоту вращения ротора в пределах от номинальной до полной остановки. Недостатком такого способа регулирования являются относительно большие потери энергии.

Основные неисправности асинхронного двигателя с фазным ротором

Заключение

Асинхронные электрические двигатели трехфазного типа с короткозамкнутым ротором широко используют в народном хозяйстве, однако такие двигатели обладают рядом недостатков: отсутствует плавное регулирование частоты вращения, большой пусковой ток и др. Но все это можно обойти, если же вместо ротора воспользоваться фазным ротором.

Подобающим образом устроен фазный ротор: трехфазная обмотка размещена в пазах ротора, (обмотка подобная обмотке статора); звездой соединены фазы обмотки ротора; начала фаз соединены с изготовленными из латуни или меди тремя контактными кольцами, которые в свою очередь укреплены на одном валу с ротором. Соответственно контактные кольца изолированы друг от друга и от вала. К контактным кольцам хорошо прижаты металло-графитные или угольные щётки, установленные на щёткодержателе, укрепленном на подшипниковом щите.

Для запуска двигателя с фазным ротором щётки соединяют с регулировочными или пусковыми реостатами. Эти самые реостаты дают возможность понизить пусковой ток, так как из-за них усиливается всеобщее сопротивление обмотки ротора.

Реостаты применяют для плавного регулирования частоты вращения двигателя, а также в изменении других рабочих характеристик.

1. Проектирование электрических машин: Учебник для вузов Книга 1. Под редакцией Копылова И. П. Москва: Энергоатомиздат 1993. — 464 с.

2. Электрические машины: Асинхронные машины: Учеб. Для электромех. спец. Вузов / Радин В. И., Брускин Д. Э., Зорохович А. Е.; Под ред. И.П. Копылов-М.: Высшая школа, 1988,-328 с.

3. Кузнецов М. И. Основы электротехники. Учебное пособие. Изд. 10-е, перераб. «Высшая школа»