Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

Асинхронный электродвигатель – очень распространенная электрическая машина. Он прост в изготовлении и обслуживании, а из-за простоты конструкции – очень надежен. Но есть у него один недостаток – угловая скорость вращения вала неизменна и зависит от количества полюсов обмотки статора. А как быть, если в процессе работы требуется изменять частоту вращения?
Необходимость регулировки оборотов в основном требуется для электродвигателей, устанавливаемых на кранах. Выполняют они там следующие основные функции:

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

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

Мостовой кран

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

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

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

Поэтому в подобных механизмах используются асинхронные электродвигатели с фазным ротором.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Принцип работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором

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

Фазный ротор

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором работает так:

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

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

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

Магазин резисторов для кранового электродвигателя с фазным ротором

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

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

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

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

Устройство трехфазного асинхронного двигателя

Основные типы двигателей. По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (последние называют также двигателями с контактными кольцами). Рассматриваемые двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением обмотки ротора.

Двигатели с короткозамкнутым ротором (рис. 1, а

и
б).
На статоре расположена трехфазная обмотка, которая при подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки, является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет (рис. 1,
в
).

Беличья клетка состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 2, а

). Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. В двигателях малой и средней мощности беличью клетку обычно получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора (рис. 2,
6
). Вместе со стержнями беличьей клетки отливают короткозамыкающие кольца и торцовые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины.

Для этой цели особенно пригоден алюминий, так как он обладает малой плотностью, легкоплавкостью и достаточно высокой электропроводностью. В машинах большой мощности пазы короткозамкнутого ротора выполняют полузакрытыми, в машинах малой мощности — закрытыми. Обе формы паза позволяют хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивают потоки рассеяния и индуктивное сопротивление роторной обмотки. В двигателях большой мощности беличью клетку выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца (рис. 2, в). Различные формы пазов ротора показаны на рис. 2, г.

В электрическом отношении беличья клетка представляет собой многофазную обмотку, соединенную по схеме Υ и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки m

2 равно числу пазов ротора
z
2, причем в каждую «фазу» входят один стержень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

Часто асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают для того, чтобы уменьшить высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, снизить шум, вызываемый магнитными причинами, и устранить явление прилипания ротора к статору, которое иногда наблюдается в микродвигателях.

Двигатели с фазным ротором(рис.3, а

). Обмотка статора выполнена так же, как и в двигателях с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Обмотку ротора обычно соединяют по схеме Υ, три конца которой выводят к трем контактным кольцам (рис. 3,
6
), вращающимся вместе с валом машины. С помощью металлографитных щеток, скользящих по контактным кольцам, в ротор включают пусковой или пускорегулирующий реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводят добавочное активное сопротивление.

Чтобы уменьшить износ колец и щеток, двигатели с фазным ротором иногда имеют приспособления для подъема щеток и замыкания колец накоротко после выключения реостата. Однако введение этих приспособлений усложняет конструкцию электродвигателя и несколько снижает надежность его работы, поэтому обычно применяют конструкции, в которых щетки постоянно соприкасаются с контактными кольцами. Основные конструктивные элементы двигателя с фазным ротором приведены на рис. 4.6.

Области применения двигателей различных типов. По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще двигателей с фазным ротором и более надежны в эксплуатации (у них отсутствуют кольца и щетки, требующие систематического наблюдения, периодической замены и пр.). Основные недостатки этих двигателей — сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты (электроприводы металлообраба­тывающих станков, вентиляторов и пр.). Асинхронные двигатели малой мощности и микродвигатели также выполняют с ко­роткозамкнутым ротором.

Как показано ниже, в двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уменьшать пусковой ток. Следовательно, такие двигатели можно применять для привода машин и механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке (электроприводы грузоподъемных машин и пр.).

Плавный запуск двигателя с фазным ротором

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

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

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

Схема плавного пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором

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

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

Регулировка скорости крановых электродвигателей

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

Типовая схема управления электродвигателем крана

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

Асинхронный двигатель

Среди устройств, преобразующих электрическую энергию в механическую, несомненным лидером является трехфазный асинхронный двигатель – простой и надежный в эксплуатации агрегат. Благодаря своим качествам, он получил широкое применение в промышленности и других областях, где используются механизмы. Название двигателя связано с основным принципом его работы. У этих устройств магнитное поле статора вращается с частотой, превышающей частоту вращения ротора. Работа агрегата осуществляется от сети переменного тока.

Характеристика асинхронного двигателя

• Запуск двигателя с нагрузкой, подключение к валу благодаря созданию большого момента вращения. Это обеспечивает обслуживание асинхронных двигателей с фазовым элементом любой мощности.
• Возможность постоянной скорости вращения большой или маленькой нагрузки
• Регулирование автоматического пуска.
• Работа даже при перегрузке тока напряжения.
• Простота использования.
• Невысокая стоимость.
• Надёжность применения.

• Использование резисторов увеличивается стоимость, а работа двигателя усложняется;
• Большие размеры;
• Значение КПД меньше, чем короткозамкнутых роторов;
• Трудное управление скоростью вращения;
• Регулярный капитальный ремонт .

Где применяются

Асинхронные двигатели активно используются во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они потребляют примерно 70% всей энергии, предназначенной для преобразования электричества во вращательное или поступательное движение. Асинхронные двигатели зарекомендовали себя наиболее эффективными в качестве электрической тяги, без которой не обходятся многие технологические операции.

Асинхронные двигатели обладают множеством положительных качеств. Простая конструкция позволяет изготавливать наиболее дешевые и надежные устройства. Минимальные расходы по эксплуатации обеспечиваются отсутствием скользящего узла токосъема, что одновременно повышает и надежность агрегата.

Данный тип электродвигателей может быть трехфазным или однофазным, в зависимости от количества питающих фаз. В случае необходимости и при соблюдении определенных условий, трехфазный агрегат может питаться и работать от однофазной сети. Эти устройства применяются не только в промышленности, но и в бытовых условиях, а также на садовых участках или домашних мастерских. Однофазные двигатели обеспечивают работу и вращение вентиляторов, стиральных машин, небольших станков, водяных насосов и электроинструмента.

Для нормального действия асинхронного агрегата необходимо выбирать наиболее рациональную схему управления. Трехфазный двигатель будет работать в однофазном режиме при условии правильного расчета конденсаторов, выбора типа и сечения проводов, аппаратуры защиты и управления.

Устройство асинхронного двигателя

Понятие асинхронный означает не совпадающий по времени, неодновременный. В связи с этим, ротор такого двигателя вращается с частотой, меньшей чем частота вращения электромагнитного поля статора.

Подобное отставание называется скольжением и обозначается символом S в формуле, применяемой для расчетов:

• S = (n1 – n2)/n1 – 100%, где n1 является синхронной частотой магнитного поля статора, а n2 – частотой вращения вала.

Конструктивно, стандартный асинхронный электродвигатель включает в себя следующие элементы и детали:

• Статор с обмотками. Эту функцию также может выполнять станина, внутри которой помещается статор с обмотками.
• Короткозамкнутый ротор. Если используется фазный – он может называться якорем или коллектором.
• Подшипники различного типа – качения или скольжения. На двигателях повышенной мощности в передней части установлены крышки для подшипников с уплотнениями.
• Металлический или пластмассовый охлаждающий вентилятор, помещенный в кожух с прорезями для подачи воздуха.
• Подключение кабелей осуществляется с помощью клеммной коробки.

Данные конструктивные элементы могут незначительно изменяться, в зависимости от модификации электродвигателя.

Как уже отмечалось, асинхронные двигатели бывают трехфазными или однофазными. Первый вариант, в свою очередь, выпускается с короткозамкнутым или фазным ротором. Наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, поэтому их следует рассмотреть более подробно.

Статор обладает круглой формой и собирается из специальных стальных листов, изолированных между собой. В результате, конструктивно образуется сердечник с пазами, в которые укладываются обмотки. Для этих целей используется обмоточный медный провод, изолированный лаком. В мощных агрегатах обмотки делаются в виде шины. При укладке они сдвигаются между собой на 120 градусов. Соединение осуществляется по схеме звезды или треугольника.

Конструкция самого короткозамкнутого ротора изготавливается в виде вала с надетыми на него стальными листами. Этот набор листов образует сердечник с пазами, заливаемые расплавленным алюминием. Равномерно растекаясь по пазам, алюминий образует стержни, края которых замыкают алюминиевые кольца.

Фазный ротор состоит из вала с сердечником и трех обмоток. С одного конца они соединяются звездой, а с другого – соединяются с токосъемными кольцами, на которые с помощью щеток подается электрический ток. Во время запуска образуется большой пусковой ток асинхронного двигателя. Его можно уменьшить путем добавления к фазным обмоткам нагрузочного реостата.

Устройство двигателя

Главными постоянными являются статор и ротор. Статор представляет собой цилиндр, состав –листы электротехнической стали, в цилиндр уложена трёхфазная обмотка. Она состоит из обмоточной проволоки. Которые соединены между собой в виде звезды или треугольника в зависимости от напряжения.

Ротор – основная вращающаяся часть двигателей. Он в зависимости от расположения может быть внешним, внутренним. Данный элемент состоит из стальных листов. Пазы сердечника наполнены алюминием, который имеет стержни, содержащие торцевые кольца. Они могут быть латунными или стальными, каждое из них изолировано слоем лака. Между трёхфазным статором и ротором образуется зазор. Регулирование размер зазора от 0,30 –0,34 мм в устройствах с небольшим напряжением, 1,0–1,6 мм в устройствах с большим постоянным электрическим напряжением. Конструкция имеет название «беличья клетка». Для мощных двигателей используется медь в сердечнике. Контактор начинает действие, двигатель заводится.

Существует добавочный резистор в цепи обмотки вращающей части машины, крепится с помощью металлографитных щеток. Щетки обычно используются две, расположены на щеткодержателе. В приводах кранах и центрифугах для регулирования роботы применяется конический подвижный ротор. Асинхронные двигатели с фазным ротором незаменимы при технических требованиях мощного пускового момента. Это могут быть такие механизмы, как кран, мельница, лифт.

Схема переключения электрической цепи со звезды на треугольник

Принцип работы

Устройство и конструктивные особенности асинхронного двигателя определяют и принцип действия данного агрегата. Когда на обмотку статора подается напряжение, в ней образуется магнитное поле. Такая подача напряжения приводит к изменениям магнитного потока и всего магнитного поля статора. Измененные магнитные потоки поступают к ротору, приводят его в действие, после чего он начинает вращаться. Для того чтобы статор и ротор работали асинхронно, требуется, чтобы значения напряжения и магнитного потока были равны переменному току, используемому в качестве источника питания.

Сам двигатель работает следующим образом:

• Вращающееся магнитное поле воздействует на короткозамкнутую обмотку, специально приспособленную для вращения.
• Поле пересекает проводники роторной обмотки, индуктируя в них электродвижущую силу.
• Под воздействием силы в проводниках ротора начнется течение электрического тока, взаимодействующего с вращающимся магнитным полем. Это приводит к появлению электромагнитных сил, воздействующих на обмотку ротора.
• В сумме, действия приложенных сил вызывают появление вращающего момента, приводящего во вращение ротор в направлении магнитного поля.

Величина индуктированной ЭДС зависит от частоты пересечения проводников вращающимся магнитным полем. То есть, чем выше разница между n1 и n2, тем больше будет величина ЭДС. Ротор будет вращаться с частотой n2, которая всегда будет отставать от синхронной частоты поля статора n1. Эта разница между обеими частотами и будет частотой скольжения ∆n= n1- n2. Данное неравенство является необходимым условием появления электромагнитного вращающегося момента в асинхронном двигателе. Поэтому агрегат так и называется, поскольку вращение ротора происходит несинхронно с полем статора.

Принцип работы асинхронного двигателя

Подавая напряжение только на обмотку статора, асинхронный двигатель начинает работать. Интересно знать, как это работает, почему так происходит? Это очень просто, если понять, как происходит процесс индукции, когда в роторе индуцируется магнитное поле. Например, в машинах постоянного тока, приходится отдельно создавать магнитное поле в якоре (роторе) не через индукцию, а посредством щёток.

Когда мы подаём напряжение на обмотки статора, в них начинает протекать электрический ток, который создаёт магнитное поле вокруг обмоток. Далее, от многих обмоток, которые расположены на магнитопроводе статора формируется общее магнитное поле статора. Это магнитное поле характеризуется магнитным потоком, величина которого изменяется во времени, кроме этого направление магнитного потока меняется в пространстве, а точнее оно вращается. В итоге получается, что вектор магнитного потока статора вращается как раскрученная праща с камнем.

В полном соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в роторе, который имеет короткозамкнутую обмотку (короткозамкнутый ротор). В этой роторной обмотке будет протекать наведённый электрический ток, так как цепь замкнута, и она находится в режиме короткого замыкания. Этот ток точно также как и питающий ток в статоре будет создавать магнитное поле. Ротор двигателя становится магнитом внутри статора, который имеет магнитное вращающееся поле. Оба магнитных поля от статора и ротора начнут взаимодействовать, подчиняясь законам физики.

Так как статор неподвижен и его магнитное поле вращается в пространстве, а в роторе индуцируется ток, что фактически делает из него постоянный магнит, подвижный ротор начинает вращаться потому, как магнитное поле статора начинает его толкать, увлекая за собой. Ротор как бы сцепляется с магнитным полем статора. Можно сказать, что ротор стремится вращаться синхронно с магнитным полем статора, но для него это недостижимо, так как в момент синхронизации магнитные поля компенсируют друг друга, что приводит к асинхронной работе. Другими словами при работе асинхронного двигателя ротор скользит в магнитном поле статора.

Скольжение может быть как с запаздыванием, так и с опережением. Если происходит запаздывание, то имеем двигательный режим работы, когда электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, если скольжение происходит с опережением ротора, то имеем генераторный режим работы, когда механическая энергия преобразуется в электрическую.

Создаваемый крутящий момент на роторе зависит от частоты переменного тока питания статора, а также от величины напряжения питания. Изменяя частоту тока и величину напряжения можно влиять на крутящий момент ротора и тем самым управлять работой асинхронного двигателя. Это справедливо как для однофазных, так и трёхфазных асинхронных двигателей.

Что такое скольжение

Понятие скольжения представляет собой отношение частоты вращения к частоте поля. Данная величина S берется в процентном отношении от частоты вращения магнитного поля. В соответствии с формулой, рассмотренной ранее, частота вращения ротора, определяемая с помощью скольжения составит: n2 = n1 x (1 – S).

Ротор асинхронного двигателя вращается в том же направлении, что и его магнитное поле. В свою очередь, направление вращения поля зависит от последовательности фаз трехфазной сети. Изменить направление вращения ротора возможно за счет изменения направления вращения поля, создаваемого статором. В этом случае изменяется порядок поступления импульсов тока к отдельным обмоткам. В случае необходимости может быть задано вращение по часовой или против часовой стрелки.

Важным моментом считается пуск асинхронного двигателя, при котором происходит пересечение обмотки ротора вращающимся магнитным полем. В результате, индуктируется большая ЭДС, создающая высокий пусковой ток. Подобное состояние компенсируется специальной нагрузкой, снижающей скорость вращения ротора.

Синхронный и асинхронный двигатель

Работа асинхронного двигателя в генераторном режиме

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором схема

Генератор из асинхронного двигателя

Принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n2меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n1.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n21. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения ns=n1-n2. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной s, называемой скольжением:

,

· где s – скольжение асинхронного электродвигателя,

· n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,

· n2 – частота вращения ротора, об/мин,

Рассмотрим случай когда частота вращения ротора будет совпадать с частотой вращения магнитного поля статора. В таком случае относительное магнитное поле ротора будет постоянным, таким образом в стержнях ротора не будет создаваться ЭДС, а следовательно и ток. Это значит что сила действующая на ротор будет равна нулю. Таким образом ротор будет замедляться. После чего на стержни ротора опять будет действовать переменное магнитное поле, таким образом будет расти индуцируемый ток и сила. В реальности же ротор асинхронного электродвигателя никогда не достигнет скорости вращения магнитного поля статора. Ротор будет вращаться с некоторой скоростью которая немного меньше синхронной скорости.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0—100%. Если s~0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента; если s=1 — режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n2 = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 8% до 2%.

Преобразование энергии

Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию подаваемую на обмотки статора, в механическую (вращение вала ротора). Но входная и выходная мощность не равны друг другу так как во время преобразования происходят потери энергии: на трение, нагрев, вихревые токи и потери на гистерезисе. Это энергия рассеивается как тепло. Поэтому асинхронный электродвигатель имеет вентилятор для охлаждения.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Асинхронный двигатель с фазным ротором – это двигатель, который можно регулировать с помощью добавления в цепь ротора добавочных сопротивлений. Обычно такие двигатели применяются при пуске с нагрузкой на валу, так как увеличение сопротивления в цепи ротора, позволяет повысить пусковой момент и уменьшить пусковые токи. Этим асинхронный двигатель с фазным ротором выгодно отличается от АД с короткозамкнутым ротором.

Статор (3) выполнен, так же как и в обычном асинхронном двигателе, он представляет из себя полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, в который уложена трехфазная обмотка.

Ротор (4) по сравнению с короткозамкнутым, представляет из себя более сложную конструкцию. Он состоит из сердечника в который уложена трехфазная обмотка, аналогично обмотке статора. Отсюда название двигателя. Если двигатель двухполюсный, то обмотки ротора смещены геометрически друг относительно друга на 120. Эти обмотки соединяются с тремя контактными кольцами (2), расположенными на валу (5) ротора. Контактные кольца выполнены из латуни или стали, причем друг от друга они изолированы. С помощью нескольких металлографитовых щеток (обычно двух), которые расположены на щеткодержателе (1) и прижимаются пружинами к кольцам, в цепь вводятся добавочные сопротивления. Выводы обмоток соединяются по схеме “звезда”.

Добавочное сопротивление вводится только при пуске двигателя. Причем им обычно служит ступенчатый реостат, сопротивление которого уменьшают с увеличением оборотов двигателя. Таким образом пуск двигателя осуществляется тоже ступенчато. После того, как разгон закончился и двигатель вышел на естественную механическую характеристику, обмотку ротора закорачивают. Для того, чтобы сохранить щетки и снизить потери на них, в двигателях с фазным ротором существует специальное устройство, которое поднимает щетки и замыкает кольца. Таким образом, удается повысить еще и КПД двигателя.

Добавочное сопротивление позволяет главным образом осуществить пуск двигателя под нагрузкой, работать с ним длительное время двигатель не может, так как механические характеристики слишком мягкие и работа двигателя на них нестабильна.

Для того чтобы автоматизировать пуск двигателя, в обмотку ротора включают индуктивность. В момент пуска, частота тока в роторе наибольшая, а значит и индуктивное сопротивление максимально. Затем, при разгоне двигателя, частота, как и сопротивление уменьшаются, и двигатель постепенно начинает работать в обычном режиме.

За счет усложнения своей конструкции, асинхронный двигатель с фазным ротором, обладает хорошими пусковыми и регулировочными характеристиками. Но по той же причине, его стоимость возрастает приблизительно в 1.5 по сравнению с обычным АД, кроме того увеличивается масса, размеры и как правило, уменьшается надежность двигателя.

Источник: electroandi.ru

Устройство, принцип работы и схема подключения асинхронного двигателя с фазным ротором

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет очень обширную область обслуживания. АД (асинхронный двигатель) чаще применяется в управлении двигателями большой мощности. Обслуживание и управление приводов мельниц, станков, насосов, кранов, дымососа, дробилок. Асинхронный двигатель с массивным ротором даёт возможность подключения множества технических механизмов.

• Характеристика асинхронного двигателя
• Схема подключения
• Устройство двигателя
• Принцип работы
• Расчёт числа повторений
• Реостатный пуск
• Ремонт и характеристики неисправностей

Общая информация

Чтобы понять, как работает асинхронный двигатель с фазным ротором, необходимо внимательно изучить особенности его пуска. При запуске установки ее ротор параллельно переходит из состояния покоя в медленное и равномерное вращение. При этом система уравновешивает момент сил сопротивления посредством собственного вала.

Во время запуска начинается усиленное потребление энергетических ресурсов, что связано с преодолением тормозного момента и компенсацией потерь внутри силовой установки. Нередко параметры начального пускового момента далеки от требуемых, поэтому асинхронный двигатель не способен перейти в режим полноценной работы. В таком случае ускорение приостанавливается, а постоянное воздействие чрезмерного тока приводит к перегреву внутренних узлов установки.

По этой причине частота запусков двигателя ограничивается несколькими включениями. Если агрегат работал от электрической сети с низкой мощностью, тогда подобное явление может снизить общее напряжение и нарушить работу других приборов, присоединенных к этой линии.

Наличие в роторной цепи пусковых резисторов снижает показатели электрического тока, но при этом поднимает начальный пусковой момент, пока он не достигнет пиковой отметки. Запуск силовой установки бывает легким, нормальным или тяжелым.

В зависимости от этого фактора можно определить оптимальные параметры сопротивления резисторов.

После успешного запуска остается поддерживать стабильный вращающий момент на этапе разгона ротора, что сократит продолжительность перехода из спокойного состояния в стадию вращения и снизит вероятность нагрева. Для этого необходимо уменьшить показатели сопротивления резисторов.

Переключение разных резисторов происходит из-за подключения контакторов ускорения в последовательном порядке. Отключать двигатель от электрической сети можно только при накоротко замкнутой роторной цепи. Если это требование проигнорировать, то появится риск существенного перенапряжения в обмоточных фазах статора.

Технические характеристики

Существуют установленные требования, гарантирующие качественную работу асинхронных двигателей с фазным ротором. От них зависят базовые параметры и характеристики системы, включая:

1. Размеры и мощность установки, соответствующие техническому регламенту.
2. Защиту от внешних воздействий. Ее степень определяется окружающими условиями, в которых будет расположена машина. Дело в том, что одни установки предназначаются для работы внутри помещения, в то время как другие способны функционировать и на улице. К тому же доступные на рынке агрегаты отличаются климатическими особенностями. Например, существуют двигатели, которые выдерживают экстремальный холод или, наоборот, сильную жару. В зависимости от условий использования они обладают характерным исполнением и защитой.
3. Степень изоляции. Асинхронные двигатели с фазным ротором должны быть устойчивыми к высоким температурным показателям и возможным нагревам внутренних механизмов. Для предотвращения воспламенений их защищают специальными изоляционными слоями.
4. Соответствие установленным стандартам и режимам функционирования.
5. Наличие мощной охладительной системы, которая соответствует рабочему режиму двигателя.
6. Уровень шума во время запуска на холостом ходу. Он соответствует второму классу или ниже.

Устройство и конструкция

Желая купить асинхронный электродвигатель с фазным ротором, необходимо хорошо разбираться в его устройстве и конструкционных особенностях. В первую очередь нужно знать, что к основным частям установки относятся статор, который является неподвижным, и ротор — вращающийся механизм внутри статора. Между обоими элементами расположен воздушный зазор, а их поверхность покрыта специальной обмоткой.

Обмотка статора подключена к электрической сети с переменным напряжением, которое передается на обмотку ротора. Взаимодействие узлов обусловлено магнитным потоком.

Что касается корпуса статора, то в качестве него используется корпус двигателя, внутри которого расположен запрессованный сердечник. В последнем находятся проводники обмотки, защищенные от замыкания изоляцией. Обмотка сердечника состоит из нескольких секций, заключенных в катушки.

В роторе установлены вал и сердечник из набранных пластин. Последний элемент создается на основе высокотехнологичной стали и обладает симметричными пазами с проводниками. При работе вал ротора передает крутящий момент к приводу установки. В зависимости от типа ротора выделяют две разновидности двигателей:

1. С короткозамкнутым ротором.
2. С фазным ротором.

В первом типе роторов присутствуют алюминиевые стержни, которые находятся внутри сердечника и замкнуты на торцах кольцами. Их также называют «беличьим колесом». Обычно пазы установки обрабатываются алюминием, что повышает их прочность.

Устройство

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

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

Принцип работы

Изучив устройство АД с фазным ротором и его запуск, можно приступать к более подробному рассмотрению работы такой установки. Её можно разделить на несколько пунктов:

1. На статор с тройной обмоткой подается трехфазное напряжение от электрической сети с переменным током.
2. Затем начинается образование магнитного поля, которое приводит к вращению ротора. По мере ускорения вращательных движений скорость оборотов ротора существенно растет.
3. По достижении определенных показателей отдельные линии полей обоих узлов пересекаются, что вызывает появление электродвижущей силы. Она воздействует на роторную обмотку, за счет чего в ней формируется электрический ток.
4. В определенный момент времени между магнитным полем статора и током в роторе начинается взаимодействие, образующее крутящий момент. Именно за счет него и осуществляется работа асинхронного двигателя.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Для регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей и управления режимами их работы существуют следующие способы:

1. Частотный – при изменении частоты тока в электрической сети изменяется частота вращения электрического двигателя. Для такого способа применяют устройство, которое называется частотный преобразователь;
2. Реостатный – при изменении сопротивления реостата в роторе, изменяется частота вращения. Такой способ увеличивает пусковой момент и критическое скольжение;
3. Импульсный – способ управления, при котором на двигатель подается напряжение специального вида.
4. Переключение обмоток по время работы электрического двигателя со схемы «звезда» на схему «треугольник», что снижает пусковые токи;
5. Управление с изменения пар полюсов для короткозамкнутых роторов;
6. Подключение индуктивного сопротивления для двигателей с фазным ротором.

С развитием электронных систем, управление различными электродвигателями асинхронного типа становится все более эффективным и точным. Такие двигатели используются в мире повсеместно, разнообразие задач, выполняемых такими механизмами, с каждым днем растет, и потребность в них не уменьшается.

Плюсы и минусы

В последнее время асинхронные агрегаты пользуются большой популярностью. Она связана с массой преимуществ, которыми они обладают. В их числе:

1. Высокие значения при начальном вращающем моменте.
2. Способность принимать любые механические перегрузки без существенного изменения КПД или нарушения стабильной работы установки. Даже если в системе возникают разнообразные перегрузки, агрегат продолжает функционировать с заданной скоростью и практически не отклоняется от базового режима.
3. Сниженный пусковой ток. В отличие от других асинхронных моделей, например, с короткозамкнутым ротором, у этих двигателей сравнительно низкие показатели пускового тока.
4. Возможность полной автоматизации работы.
5. Простота конструкции.
6. Простая схема запуска.
7. Сравнительно невысокая цена.
8. Отсутствие необходимости сложного и дорогостоящего обслуживания.

Кроме множества плюсов у двигателей этого типа имеются и недостатки. К ключевым минусам относят довольно крупные габариты, из-за которых монтаж и дальнейшая эксплуатация системы усложняются, а также сниженный КПД по сравнению со многими аналогами.

По последнему показателю устройства с короткозамкнутым ротором более продуктивные.

Сферы применения

В настоящее время многие промышленные двигатели являются асинхронными. Их популярность обусловлена вышеперечисленными плюсами и доступностью. Сферы применения таких агрегатов очень обширные, поэтому их активно используют для работы автоматизированных устройств из телемеханической сферы, бытового и медицинского оборудования и звукозаписывающих установок. Асинхронный двигатель — это полезное изобретение нынешнего времени, которое упрощает жизнь человека и обеспечивает хороший КПД при минимальных затратах электроэнергии.

Источник: 220v.guru

Устройство и принцип работы трехфазных электродвигателей

В данной статье рассмотрены следующие вопросы:

1. Устройство трехфазного электродвигателя.
2. Принцип работы трехфазного электродвигателя.

1. Устройство электродвигателя 380 В

   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.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор

состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор

состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

• где n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f1 – частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.