Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором: Асинхронный двигатель с фазным ротором

Содержание

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Фазный ротор

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.

принцип работы, устройство и сферы применения асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (АД) с фазным ротором представляет собой многофункциональную силовую установку, которая поддерживает регулировку с помощью внесения в роторную цепь добавочных сопротивлений. От классических моделей с короткозамкнутым ротором агрегат отличается более высоким пусковым моментом и низким пусковым током. Классификация устройств осуществляется с учетом их свойств и конструкции.

Общая информация
Технические характеристики
Устройство и конструкция
Принцип работы
Плюсы и минусы
Сферы применения

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:

Размеры и мощность установки, соответствующие техническому регламенту.
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.

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.
Соответствие установленным стандартам и режимам функционирования.
Наличие мощной охладительной системы, которая соответствует рабочему режиму двигателя.
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:

С короткозамкнутым ротором.
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.

Фазный ротор асинхронного двигателя существенно отличается от предыдущей разновидности. Число катушек, установленных под конкретным углом, в таких моделях определяется количеством парных полюсов. При этом пары полюсов в роторе такого типа всегда сопоставимы с аналогичными статорными парами.

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:

На статор с тройной обмоткой подается трехфазное напряжение от электрической сети с переменным током.
Затем начинается образование магнитного поля, которое приводит к вращению ротора. По мере ускорения вращательных движений скорость оборотов ротора существенно растет.
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.
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.

Плюсы и минусы

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

Высокие значения при начальном вращающем моменте.
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.
Сниженный пусковой ток. В отличие от других асинхронных моделей, например, с короткозамкнутым ротором, у этих двигателей сравнительно низкие показатели пускового тока.
Возможность полной автоматизации работы.
Простота конструкции.
Простая схема запуска.
Сравнительно невысокая цена.
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.

В чем разница между асинхронными и синхронными двигателями?

Загрузите эту статью в формате .PDF

Растущее значение энергоэффективности побудило производителей электродвигателей продвигать различные схемы, улучшающие характеристики двигателя. К сожалению, терминология, связанная с моторными технологиями, может сбивать с толку, отчасти потому, что несколько терминов иногда могут использоваться взаимозаменяемо для обозначения одной и той же базовой конфигурации мотора. Среди классических примеров этого явления — асинхронные и асинхронные двигатели.

Все асинхронные двигатели являются асинхронными. Асинхронный характер работы асинхронного двигателя возникает из-за скольжения между скоростью вращения поля статора и несколько более низкой скоростью вращения ротора. Более конкретное объяснение того, как возникает это скольжение, касается деталей внутреннего устройства двигателя.

Большинство современных асинхронных двигателей содержат вращающийся элемент (ротор), называемый беличьей клеткой. Цилиндрическая беличья клетка состоит из тяжелых медных, алюминиевых или латунных стержней, вставленных в канавки и соединенных с обоих концов проводящими кольцами, которые электрически закорачивают стержни друг с другом. Сплошной сердечник ротора состоит из пакетов пластин из электротехнической стали. В роторе меньше пазов, чем в статоре. Количество пазов ротора также должно быть нецелым кратным пазам статора, чтобы предотвратить магнитную блокировку зубьев ротора и статора при запуске двигателя.

Также можно найти асинхронные двигатели, роторы которых состоят из обмоток, а не из беличьей клетки. Смысл этой конфигурации с фазным ротором состоит в том, чтобы обеспечить средства снижения тока ротора, когда двигатель впервые начинает вращаться. Обычно это достигается путем последовательного соединения каждой обмотки ротора с резистором. Обмотки получают ток через какое-то контактное кольцо. Как только ротор достигает конечной скорости, полюса ротора переключаются на короткое замыкание, таким образом, электрически он становится таким же, как ротор с короткозамкнутым ротором.

Неподвижная часть обмоток двигателя называется якорем или статором. Обмотки статора подключаются к сети переменного тока. Приложение напряжения к статору вызывает протекание тока в обмотках статора. Протекание тока индуцирует магнитное поле, которое воздействует на ротор, создавая напряжение и ток в элементах ротора.

Северный полюс статора индуцирует южный полюс ротора. Но полюс статора вращается при изменении амплитуды и полярности переменного напряжения. Индуцированный полюс пытается следовать за вращающимся полюсом статора. Однако закон Фарадея гласит, что электродвижущая сила возникает, когда петля провода перемещается из области с низкой напряженностью магнитного поля в область с высокой напряженностью магнитного поля и наоборот. Если бы ротор точно следовал за движущимся полюсом статора, напряженность магнитного поля не изменилась бы. Таким образом, ротор всегда отстает от вращения поля статора. Поле ротора всегда отстает от поля статора на некоторую величину, поэтому оно вращается со скоростью, несколько меньшей, чем скорость статора. Разница между ними называется скольжением.

Величина скольжения может варьироваться. Это зависит в основном от нагрузки, которую приводит двигатель, но также зависит от сопротивления цепи ротора и силы поля, которое индуцирует поток статора.

Несколько простых уравнений проясняют основные взаимосвязи.

Когда переменный ток изначально подается на статор, ротор неподвижен. Напряжение, индуцируемое в роторе, имеет ту же частоту, что и в статоре. Когда ротор начинает вращаться, частота наведенного в нем напряжения f _r , капли. Если f – частота напряжения статора, то скольжение, с, связывает два через f _r = с _f . Здесь s выражается в виде десятичной дроби.

Когда ротор стоит на месте, ротор и статор эффективно образуют трансформатор. Таким образом, напряжение E , индуцированное в роторе, определяется уравнением трансформатора0022 м

где N = количество проводников под одним полюсом статора (обычно небольшое для двигателя с короткозамкнутым ротором) и Ñ„ _м = максимальный магнитный поток, Webers. Thus, the voltage E _r induced while the rotor spins depends on the slip:

E _r = 4.44 s f N Ñ„ _m = s E

Описание синхронных двигателей

Синхронный двигатель имеет особую конструкцию ротора, которая позволяет ему вращаться с той же скоростью, то есть синхронно, с полем статора. Одним из примеров синхронного двигателя является шаговый двигатель, широко используемый в приложениях, связанных с управлением положением. Однако недавние достижения в области схем управления мощностью привели к созданию конструкций синхронных двигателей, оптимизированных для использования в таких ситуациях с более высокой мощностью, как вентиляторы, воздуходувки и ведущие оси внедорожников.

В основном существует два типа синхронных двигателей:

• С самовозбуждением — Принципы аналогичны асинхронным двигателям, и

• С прямым возбуждением — обычно с постоянными магнитами, но не всегда

Синхронный двигатель с самовозбуждением , также называемый вентильным реактивным двигателем, содержит стальной литой ротор с прорезями или зубьями, получившими название явно выраженных полюсов. Именно выемки позволяют ротору зафиксироваться и работать с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле.

Чтобы переместить ротор из одного положения в другое, схема должна последовательно переключать питание на последовательные обмотки/фазы статора аналогично шаговому двигателю. Синхронный двигатель с прямым возбуждением может называться по-разному. Обычные названия включают ECPM (постоянный магнит с электронной коммутацией), BLDC (бесщеточный двигатель постоянного тока) или просто бесщеточный двигатель с постоянными магнитами. В этой конструкции используется ротор с постоянными магнитами. Магниты могут устанавливаться на поверхности ротора или вставляться в узел ротора (в этом случае двигатель называется двигателем с внутренними постоянными магнитами).

Постоянные магниты являются выступающими полюсами этой конструкции и предотвращают скольжение. Микропроцессор управляет последовательным переключением питания на обмотках статора в нужное время с помощью полупроводниковых переключателей, сводя к минимуму пульсации крутящего момента. Принцип работы всех этих типов синхронных двигателей в основном одинаков. Энергия подается на катушки, намотанные на зубья статора, которые создают значительный магнитный поток, пересекающий воздушный зазор между ротором и статором. Поток течет перпендикулярно воздушному зазору. Если выступающий полюс ротора идеально совмещен с зубцом статора, крутящий момент не создается. Если зубец ротора находится под некоторым углом к зубу статора, по крайней мере часть потока пересекает зазор под углом, не перпендикулярным поверхностям зубьев. Результатом является крутящий момент на роторе. Таким образом, переключение питания на обмотки статора в нужное время вызывает картину потока, которая приводит к движению по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Еще один тип синхронного двигателя называется вентильным реактивным двигателем (SR).

Его ротор состоит из стальных пластин с набором зубьев. Зубцы магнитопроницаемы, а окружающие их участки слабопроницаемы в силу прорезанных в них пазов. Таким образом, ротору не нужны обмотки, редкоземельные материалы или магниты.

В отличие от асинхронных двигателей, в роторе отсутствуют стержни ротора и, следовательно, в роторе не протекает ток, создающий крутящий момент. Отсутствие какой-либо формы проводника на роторе SR означает, что общие потери в роторе значительно ниже, чем в других двигателях с роторами, несущими проводники. Крутящий момент, создаваемый двигателем SR, регулируется путем регулировки величины тока в электромагнитах статора. Затем скорость регулируется путем модуляции крутящего момента (посредством тока обмотки). Этот метод аналогичен тому, как скорость регулируется током якоря в традиционном щеточном двигателе постоянного тока.

Двигатель SR создает крутящий момент, пропорциональный величине тока, подаваемого на его обмотки. Производство крутящего момента не зависит от скорости двигателя. Это отличается от асинхронных двигателей переменного тока, где при высоких скоростях вращения в области ослабления поля ток ротора все больше отстает от вращающегося поля по мере увеличения оборотов двигателя.

Как работает трехфазный асинхронный двигатель переменного тока

В этой статье и видеоролике рассматриваются основы трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, одного из наиболее распространенных на сегодняшний день типов промышленных электродвигателей. В этом обзоре объясняется, что такое трехфазная мощность, как работает закон Фарадея, основные компоненты асинхронного двигателя и влияние числа полюсов статора на номинальную скорость и крутящий момент двигателя.

Вы также можете посмотреть видео ниже с обзором трехфазных асинхронных двигателей переменного тока.

Что такое трехфазное питание?

Первое, что нам нужно понять о трехфазном асинхронном двигателе, — это первая часть его названия — трехфазная мощность. Однофазный источник питания использует два провода для обеспечения синусоидального напряжения. В трехфазной системе три провода используются для обеспечения одинакового синусоидального напряжения, но каждая фаза сдвинута на 120°. В любой момент времени, если вы суммируете напряжение каждой фазы, сумма будет постоянной. Однофазное питание подходит для бытовых или других маломощных приложений, но трехфазное питание [JS2] обычно требуется для промышленных или более мощных приложений. Это связано с тем, что он может передавать в три раза больше энергии, используя только в 1,5 раза больше проводов. Это обеспечивает более эффективное и экономичное электроснабжение.

Что такое закон Фарадея?

Еще один принцип, лежащий в основе асинхронных двигателей переменного тока, основан на законе Фарадея. Британский ученый Майкл Фарадей обнаружил, что изменяющееся магнитное поле может индуцировать ток и, наоборот, ток может индуцировать магнитное поле. Используя правило правой руки, вы можете предсказать направление магнитного поля. Для этого представьте, что вы берете прямой провод, направив большой палец в направлении тока. Ваши пальцы будут вращаться в направлении линий магнитного потока.

Демонстрация правила правой руки с маркером в руке.

Компоненты асинхронного двигателя

Асинхронный или асинхронный двигатель состоит из двух основных компонентов: статора и ротора. Статор состоит из внешних обмоток или магнитов и является неподвижным. Статор неподвижен. Ротор — это внутренний сердечник, и это то, что на самом деле вращается в двигателе. Ротор вращается.

Трехфазный асинхронный двигатель KEB – ротор внутри статора.

Конструкция с короткозамкнутым ротором является наиболее распространенным типом асинхронных двигателей, поскольку они самозапускающиеся, надежные и экономичные. В этой конструкции ротор похож на колесо хомяка или «беличью клетку», отсюда и название. Ротор состоит из внешнего цилиндра из металлических стержней, закороченных на концах. Внутренняя часть состоит из вала и цельного сердечника, построенного из стальных пластин.

Как это работает

Для достижения крутящего момента на валу двигателя через статор подается ток. Это создает вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток в роторе. Из-за этого индуцированного тока ротор также создает магнитное поле и начинает следовать за статором из-за магнитного притяжения. Ротор будет вращаться медленнее, чем поле статора, и это называется «скольжением». Если бы ротор вращался с той же скоростью, что и статор, ток не индуцировался бы, следовательно, не было бы крутящего момента. Разница в скорости колеблется от 0,5 до 5% в зависимости от обмотки двигателя.

Обмотки и полюса

Трехфазные двигатели доступны в конфигурациях с 2, 4, 6, 8 и более полюсами. Количество полюсов в обмотках определяет идеальную скорость двигателя. Двигатель с большим числом полюсов будет иметь более низкую номинальную скорость, но более высокий номинальный крутящий момент. Из-за этого двигатели с большим числом полюсов иногда называют моментными двигателями, и их можно использовать для замены двигателя с редуктором. Идеальное соотношение между количеством полюсов, частотой и скоростью определяется следующим:

Зависимость между числом полюсов и частотой вращения асинхронного двигателя.

Преимущества асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели обладают многими преимуществами, включая снижение первоначальных затрат и затрат на техническое обслуживание. Из-за своей базовой экономичной конструкции асинхронные машины обычно стоят меньше, чем синхронные двигатели и двигатели постоянного тока. Это делает их идеальным выбором для промышленных приложений с фиксированной скоростью, таких как ветроэнергетика и генераторы ветряных турбин.

Абсолютная простота асинхронных двигателей также упрощает техническое обслуживание и делает его менее частым, что со временем снижает эксплуатационные расходы. Эта экономическая эффективность дает асинхронным машинам значительное преимущество перед синхронными двигателями и двигателями постоянного тока, которые имеют множество дополнительных компонентов, таких как контактные кольца, коллекторы и щетки.

Долговечность — еще одна сильная сторона асинхронных двигателей. Эти прочные машины могут работать в течение нескольких лет при минимальном внимании и техническом обслуживании даже в сложных условиях. Отсутствие щеток (и искр) позволяет асинхронным двигателям безопасно работать во взрывоопасных или других условиях окружающей среды, создавая гибкое решение для нефтегазовой отрасли, обработки материалов и многого другого.

Трехфазные асинхронные двигатели также обладают уникальными преимуществами, в том числе моментом самозапуска. Эта функция устраняет необходимость в пусковых конденсаторах, которые обычно требуются для однофазного двигателя. Трехфазные машины также обеспечивают исключительную регулировку скорости и перегрузочную способность, что делает их пригодными для широкого спектра применений.

Применение трехфазных асинхронных двигателей переменного тока

Преобразовывая электрическую энергию в механическую, трехфазные асинхронные двигатели переменного тока могут приводить в действие огромное количество компонентов — от насосов и вентиляторов до компрессоров и конвейеров — в промышленные или более мощные приложения.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока представляют собой недорогой выбор премиум-класса для простых односкоростных приложений. Сюда входят поворотные столы, конвейеры для обработки материалов, промышленные вентиляторы и другие простые системы.

Трехфазные асинхронные двигатели также хорошо подходят для приложений электронной мобильности, включая коммерческие электрические и гибридные автомобили. Асинхронные двигатели минимизируют затраты и потенциальные точки отказа горнодобывающего и сельскохозяйственного оборудования, грузовиков и школьных автобусов, а также оптимизируют характеристики управления двигателем, предоставляя комплексное решение для машиностроителей eMobility.

Заключение

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока состоят из статора и ротора. Во время работы через статор проходит ток, который индуцирует магнитное поле и приводит во вращение ротор. Скорость вращения вала и приложенный крутящий момент зависят от рабочей частоты и количества пар полюсов в обмотках двигателя. Если вы заинтересованы в нашей линейке асинхронных двигателей, мотор-редукторов или даже серводвигателей, свяжитесь с инженером по применению KEB с помощью контактной формы ниже.