Как устроен трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

32

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Конструктивные особенности и области применения

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором состоит из двух основных элементов: статора (представляет собой неподвижную, внешнюю часть электродвигателя) и ротора (подвижная, расположенная внутри статора часть электрической машины). Каждый из этих элементов состоит, в свою очередь, из сердечника и обмотки. Обмотку статора, которую подключают к сети, можно считать первичной, а обмотку ротора — вторичной.

Сердечник статора собирается из совокупности листов, изготовленных из электротехнической стали и покрытых специальным лаком. Так уменьшаются потери на вихревые токи. В открытых пазах сердечника укладываются трехфазные обмотки, расположенные симметрично под углом 120 градусов.

Ротор представляет собой вал, опирающийся на подшипники, на котором укреплены сердечник и обмотки. Сердечник ротора также выполнен из набора штампованных листов. Обмотка ротора изготовлена из медных или алюминиевых стержней (размещенных в пазах его сердечника), концы которых соединены накоротко с кольцами. Это и есть короткозамкнутая роторная обмотка, внешний вид которой напоминает беличье колесо (рис. 1).

Принцип работы двигателя данного типа состоит в следующем. После подачи напряжения на обмотку статора появляется магнитный поток. Он изменяется с частотой, равной частоте используемого переменного тока. Из-за сдвига потоков в обмотках по времени и в пространстве результирующее поле получается вращающимся. Оно индуцирует ЭДС в проводниках ротора. В результате чего возникают токи, которые взаимодействуют с этим полем. Их взаимодействие создает пусковой момент. Ротор начинает вращаться в направлении вращающегося поля, но с другой частотой. Величину, характеризующуюся относительную разность этих частот, называют скольжением.

Трехфазный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель получил наибольшее распространение среди машин подобного типа благодаря своим качествам и конструктивным особенностям:

• простоте конструкции;
• высокой надежности и долговечности;
• отсутствию подвижных контактов;
• низкой стоимости и универсальности.

Вместе с тем асинхронный двигатель с короткозамкнутым контуром имеет и существенные недостатки:

• ток, возникающий при пуске, по своему значению превышает номинальный почти в 5–7 раз, что приводит к значительному снижению напряжения в сети;
• затруднено регулирование числа оборотов ротора;
• сравнительно небольшой пусковой момент.

Асинхронные электродвигатели бывают различного технологического и конструктивного исполнения. В частности, электродвигатели АИР являются унифицированными для общепромышленных целей. Электродвигатель асинхронный трехфазный АИР имеет разные модификации. АИР представляет собой электродвигатель асинхронный трехфазный, характеристики которого аналогичны параметрам двигателей типа 5АМ, 5АИ, АМУ, 7АИ. Его устанавливают на вентиляторах, насосах, компрессорах и других электромеханических установках.

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.

,

Устройство и принцип работы трехфазных электродвигателей

Наибольшее распространение в промышленности, сельском хозяйстве и быту среди трехфазных электродвигателей получили асинхронные электродвигателя с короткозамкнутым ротором благодаря их простоте устройства, надежности и дешевизне. Поэтому на примере именно такого электродвигателя мы и будем рассматривать их устройство и принцип работы.

Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора.

Статор — неподвижная часть электродвигателя. Он состоит из следующих элементов:

• станина (корпус) которая, как правило, выполняется ребристой для лучшего охлаждения, т.к. в процессе работы сердечник статора с обмотками нагреваются. Так же станина имеет лапы для крепления электродвигателя.
• сердечник статора — набирается из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко) и имеет зубчатую форму (пазы) и имеет следующий вид:

• обмотки статора — выполняются медными проводами которые укладываются в пазы сердечника, концы обмоток для подключения к электрической сети выводятся в клемную коробку.

Ротор — вращающаяся часть электродвигателя. Ротор состоит из следующих элементов:

• вал — выполняется из стали служит для передачи механической энергии на рабочий механизм.
• сердечник ротора — насаживается на вал, так же как и сердечник статора выполняется из отдельных листов электротехнической стали
• обмотка ротора — как правило имеет короткозамкнутое исполнение, часто короткозамкнутую обмотку ротора называют «беличьим колесом» из-за внешнего сходства. Короткозамкнутая обмотка ротора имеет следующий вид:

Ротор удерживается в центре статора подшипниковыми щитами.

Принцип работы трехфазного электродвигателя

Принцип работы электродвигателя довольно прост и основан на принципе вращающегося электромагнитного поля.

На рисунке выше представлен медный диск прикрепленный к валу на подшипнике напротив которого расположен постоянный магнит. Если начать вращать постоянный магнит то его магнитное поле пересекающее медный диск начнет так же вращаться, т.е. создастся вращающееся магнитное поле которое согласно закону электромагнитной индукции создают в медном диске токи индукции. Данные токи, протекая по диску, создают собственное электромагнитное поле, которое, в свою очередь, вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к вращению диска.

Таким же образом работает и трехфазный электродвигатель, однако в нем вращающееся магнитное поле создается с помощью специального расположения обмоток статора, которые смещены в пространстве относительно друг друга на 120 о , такое расположение при протекании по ним трехфазного тока приводит к возникновению вращающегося электромагнитного поля.

Видео воздействия вращающегося электромагнитного поля статора на металлический контур (в качестве контура в данном случае выступает обычное лезвие):

Вращающееся магнитное поле статора воздействуя на обмотку ротора приводит к возникновению в ней индукционных токов, которые протекая через обмотку ротора создают собственное электромагнитное поле, взаимодействие этих полейприводит ротор во вращение.

Так же как и магнит статор электродвигателя имеет полюса, однако в отличие от постоянного магнита полюсов в электродвигателе может быть больше двух, при этом их всегда четное количество. Количество полюсов в статоре напрямую влияет на скорость вращения магнитного поля и соответственно на скорость вращения ротора. Частота вращения магнитного поля (синхронная частота) определяется по формуле:

n=60*f/p

где: f — частота тока в станах СНГ частота тока составляет 50 Гц (Герц); p — количество пар полюсов.

Чем больше полюсов у двигателя тем меньше частота его вращения. Например, расчитаем частоту вращения электродвигателя с четырьмя полюсами:

Четыре полюса — это 2 пары полюсов, соответственно:

Т.е. синхронная частота вращения магнитного поля статора 1500 об/мин, при этом частота вращения ротора при этом будет немного меньше может составлять 1400-1450 об/мин.

Относительная величина отставания вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора называется скольжением, она выражается в процентах и определяется по формуле:

S=(n1-n2)/n1*100%

где: n1 — синхронная частота вращения, об/мин; n2 — частота вращения ротора (асинхронная частота вращения), об/мин.

Видео с описанием устройства и принципа действия трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

Автор статьи: Анатолий Белов

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте ответа на интересующий Вас вопрос? Задайте его на форуме! Наши специалисты обязательно Вам ответят.

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