Что такое трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Современный мир полон новшеств, но некоторые изобретения прошлого актуальны до сих пор. Возможности познавать что-то, благодаря всемирной сети безграничны. Кто-то часами просиживает в Интернет-магазинах туров в поисках подходящего путешествия onlinetours.ru/goryashchie, кого-то не оторвать от новостных сайтов, а чьи-то интересы прочно обосновались в области электротехники. Давайте разберемся, что такое трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Трехфазный — это означает, что работает от трехфазной электрической сети. Асинхронный — значит, скорость вращения ротора не совпадает со скоростью вращающегося магнитного поля, отставая от него. Угловая разница между скоростью вращающегося магнитного поля и ротором называется скольжением ротора. Короткозамкнутый ротор, это та главная особенность его строения, радикально отличающаяся от строения фазного ротора. Если фазным ротор имеет довольно сложную трехфазную обмотку и три контактных кольца, с которыми контактируют щетки, то в короткозамкнутом роторе все это заменяется залитой, алюминиевой обмоткой, называемой «беличьим колесом» из-за внешнего сходства с «беговой дорожкой» беличьей клетки.
Также как и все остальные электродвигатели, этот механизм состоит из неподвижной части, называемой статор, и подвижной, которая размещена внутри статора и зовется ротор. Их разделяет воздушный зазор, размером от 05 до 2 мм, в зависимости от величины электродвигателя. Чем больше зазор, тем больше электрической энергии тратится впустую.Сердечник статора, состоит из тонкой электротехнической стали, толщиной, обычно 0,5 мм и покрытой изолирующим лаком. Форма пластин напоминает кольцо с зубцами внутрь. Собранные вместе пластины образуют цилиндр с пазами для внутренней обмотки, который помещают в статор. Соответственно ротор состоит из колец меньшего размера, зубцами наружу, не покрытых лаком, плотно насаженных на вал. В пазы статора укладывается в специальном порядке обмотка, по одному взгляду на которую опытный электрик сможет легко определить номинальную скорость вращения ротора. Другими словами — чем большее количество обмоток, тем будет меньше скорость вращения ротора.
В пазы ротора заливается алюминиевая обмотка, замкнутая накоротко алюминиевым кольцом, причем пазы располагаются немного наискосок для облегчения запуска и улучшения характеристик двигателя. Гораздо реже, для короткозамкнутой обмотки применяется медь и латунь. Обычно такое решение оптимально для двойного «беличьего колеса». При частоте сети 50 герц, ротор асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором не может дать больше 3000 оборотов в минуту. Более низкая скорость — 1500 оборотов с минуту, а еще ниже — 1000. В отличие от двигателей с фазным ротором, в двигателях с короткозамкнутым ротором нельзя изменять скорость вращения по желанию оператора.
Работает этот электродвигатель благодаря вращающемуся электромагнитному полю, увлекающему за собой ротор. Если, ради эксперимента, заменить ротор на аналогичной формы железную болванку, то она тоже будет вращаться, но гораздо медленнее, из-за отсутствия короткозамкнутой обмотки. Если же в статор вместо ротора поместить небольшой шарик, то он будет бегать внутри его, но в сторону обратную направлению вращения магнитного поля, так как оно раскручивает и сам шарик, а сила трения оказывается сильнее, вызывая забавный эффект. Иногда используют такой режим работы, когда ротор вращается в одну сторону, а магнитное поле статора в другую, вызывая заметное торможение. Такой режим зовут электромагнитным тормозом.
Следует помнить, что электрические двигатели легко превращаются в генераторы электрического тока, в том числе и тогда, когда скорость ротора, по каким- то причинам, превысит рассчитанную скорость вращения. В таком случае двигатель начинает генерировать электрический ток, отдавая его в сеть. Есть два способа соединения обмоток двигателей — звездой, когда концы обмоток соединяются вместе, а их начала подключаются к трехфазной сети, и треугольником, где конец одной обмотки присоединяется к началу следующей. В любом случае важно не перепутать начала и концы обмотки. Чтобы изменить направление вращения ротора на противоположное, нужно поменять местами фазные провода на двух контактах из трех. При использовании соединения треугольником, двигатель показывает свою заявленную мощность, которая в полтора разы выше, чем когда обмотки соединяются звездой. Но из-за чрезмерных пусковых токов, соединение треугольником, не пользуются популярностью.
Изобрел трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором российский ученый Доливо-Добровольский в далеком 1889 году. И до сих пор его изобретение исправно служит человечеству. Желающие изучить биографию Доливо-Добровольского могут приобрести тур в Гатчину onlinetours.ru — место рождения великого ученого, где до сих пор на сиротском институте есть мемориальная доска. Сохранились также марки 1962 года с изображением этого выдающегося русского изобретателя.
Асинхронный электродвигатель. Устройство и принцип действия.
Асинхронный электродвигатель имеет две основные части – статор и ротор. Неподвижная часть двигателя называется статор. С внутренней стороны статора сделаны пазы, куда укладывается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током. Вращающаяся часть машины называется ротор, в пазах его тоже уложена обмотка. Статор и ротор собираются из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. Отдельные листы стали изолируются один от другого слоем лака. Воздушный зазор между статором и ротором делается как можно меньше (0,3-0,35 мм в машинах малой мощности и 1-1,5 мм в машинах большой мощности).
В зависимости от конструкции ротора асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и с фазным роторами. Наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, они просты по устройству и удобны в эксплуатации.
Трехфазная обмотка статора помещается в пазы и состоит из ряда катушек, соединенных между собой. Каждая катушка сделана из одного или нескольких витков, изолированных между собой и от стенок паза.
Рис. 1. Различные виды обмотки статора асинхронных электродвигателей
На рис. 1, а) показана обмотка статора асинхронного электродвигателя. У этой обмотки каждая катушка состоит из двух проводников. Обмотка, состоящая из трех катушек, создает магнитное поле с двумя полюсами. За один период трехфазного тока магнитное поле сделает один оборот. При частоте 50 Гц это будет соответствовать 50 об/сек, или 3000 об/мин.
На рис. 1, б) показана обмотка, у которой каждая сторона катушки состоит из двух проводников.
Скорость вращения магнитного поля четырехполюсного статора вдвое меньше скорости вращения поля двухполюсного статора, т. е. 1500 об/мин (при 50 Гц). Обмотка четырехполюсного статора с одним проводником на полюс и фазу показана на рис. 1, в), а с двумя проводниками на полюс и фазу – на рис. 1, г). Магнитное поле шестиполюсного статора имеет втрое меньшую скорость, чем двухполюсного, т. е. 1000 об/мин (при 50 Гц). Обмотка шестиполюсного статора с одним проводником на полюс и фазу представлена на рис. 1, д). Число всех пазов на статоре равно утроенному произведению числа полюсов статора на число пазов, приходящееся на полюс и фазу.
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространенным из электрических двигателей, применяемых в промышленности. Рассмотрим его устройство. На неподвижной части двигателя – статоре 1 – размещается трехфазная обмотка 2 (рис. 2), питаемая трехфазным током. Начала трех фаз этой обмотки выводятся на общий щиток, укрепленный снаружи на корпусе электродвигателя.
Рис. 2. Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором
Собранный сердечник статора укрепляют в чугунном корпусе 3 двигателя. Вращающуюся часть двигателя – ротор 4 – собирают также из отдельных листов стали. В пазы ротора закладывают медные стержни, которые с двух сторон припаивают к медным кольцам
Рис. 3. Короткозамкнутый ротор
а — ротор с короткозамкнутой обмоткой, б — «беличье колесо»,
в — короткозамкнутый ротор, залитый алюминием;
1 — сердечник ротора, 2 — замыкающие кольца, 3 — медные стержни,
4 — вентиляционные лопатки
Таким образом, все стержни оказываются замкнутыми с двух сторон накоротко. Если представить себе отдельно обмотку такого ротора, то она по внешнему виду будет напоминать «беличье колесо». В настоящее время у всех двигателей мощностью до 100 кВт «беличье колесо» делается из алюминия путем заливки его под давлением в пазы ротора. Вал 6 вращается в подшипниках, закрепленных в подшипниковых щитах 7 и 8. Щиты при помощи болтов крепятся к корпусу двигателя. На один конец вала ротора насаживается шкив для передачи вращения рабочим машинам или станкам.
Устройство статора асинхронного двигателя с фазным ротором и его обмотка не отличаются от устройства статора двигателя с короткозамкнутым ротором. Различие между этими электродвигателями заключается в устройстве ротора.
Рис. 4. Разрез асинхронного двигателя с фазным ротором
1 — вал двигателя, 2 — ротор, 3 — обмотка ротора, 4 — статор, 5 — обмотка статора, 6 — корпус, 7 — подшипниковые крышки, 8 — вентилятор, 9 — контактные кольца
Фазный ротор имеет три фазные обмотки, соединенные между собой звездой (реже треугольником). Концы фазных обмоток ротора присоединяют к трем медным кольцам, укрепленным на валу ротора и изолированным как между собой, так и от стального сердечника ротора, вследствие чего этот двигатель получил также название двигателя с контактными кольцами. Три кольца жестко насажены на вал ротора (через изоляционные прокладки). На кольца накладываются щетки, которые размещены в щеткодержателях, укрепленных на одной из подшипниковых крышек.
Щетки, скользящие по поверхности колец ротора, все время имеют с ними хороший электрический контакт и соединены, таким образом, с обмотками ротора. Щетки соединены с трехфазным реостатом.
Источник: Кузнецов М. И. Основы электротехники. Учебное пособие.
Изд. 10-е, перераб. «Высшая школа», 1970.
Еженедельные отправки по всей России:
Балашиха, Подольск, Химки, Королёв, Мытищи, Люберцы, Красногорск, Электросталь, Коломна, Одинцово, Домодедово, Серпухов, Щёлково, Орехово-Зуево, Раменское, Долгопрудный, Жуковский, Пушкино, Сергиев Посад, Реутов, Ногинск, Ростов-на-Дону, Таганрог, Шахты, Волгодонск, Новочеркасск, Батайск, Новошахтинск, Уфа, Стерлитамак, Салават, Нефтекамск, Октябрьский, Ставрополь, Пятигорск, Кисловодск, Невинномысск, Ессентуки, Челябинск, Магнитогорск, Златоуст, Миасс, Копейск, Махачкала, Хасавюрт, Дербент, Каспийск, Казань, Набережные Челны, Нижнекамск, Альметьевск, Краснодар, Сочи, Новороссийск, Армавир, Владивосток, Уссурийск, Находка, Артём, Самара, Тольятти, Сызрань, Новокуйбышевск, Екатеринбург, Нижний Тагил, Каменск-Уральский, Первоуральск, Симферополь, Керчь, Евпатория, Сургут, Нижневартовск, Нефтеюганск, Красноярск, Норильск, Ачинск, Барнаул, Бийск, Рубцовск, Ковров, Муром, Волгоград, Волжский, Камышин, Иркутск, Братск, Ангарск, Новокузнецк, Кемерово, Прокопьевск, Нижний Новгород, Дзержинск, Арзамас, Саратов, Энгельс, Балаково, Чебоксары, Новочебоксарск, Новый Уренгой, Ноябрьск, Пермь, Березники, Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре, Архангельск, Северодвинск, Белгород, Старый Оскол, Череповец, Вологда, Калуга, Обнинск, Курск, Железногорск, Липецк, Елец, Новосибирск, Бердск, Оренбург, Орск, Томск, Северск, Тула, Новомосковск, Ульяновск, Димитровград, Ярославль, Рыбинск, Майкоп, Улан-Удэ, Назрань, Нальчик, Элиста, Черкесск, Петрозаводск, Сыктывкар, Йошкар-Ола, Саранск, Владикавказ, Кызыл,Ижевск,Абакан, Грозный, Якутск, Чита, Петропавловск-Камчатский, Благовещенск, Астрахань, Брянск, Воронеж, Иваново, Калининград, Киров, Кострома, Курган, Санкт-Петербург, Мурманск, Великий Новгород, Омск, Орёл, Пенза, Москва, Севастополь, Севастополь, Псков, Рязань, Южно-Сахалинск, Смоленск, Тамбов, Тверь, Тюмень
Асинхронные электродвигатели: схема, принцип работы и устройство
Асинхронный электродвигатель – это электрический агрегат с вращающимся ротором. Скорость вращения ротора отличается от скорости, с которой вращается магнитное поле статора. Это – одна из важных особенностей работы агрегата, так как если скорости выровняются, то магнитное поле не будет наводить в роторе ток и действие силы на роторную часть прекратится. Именно поэтому двигатель называется асинхронным (у синхронного показатели скоростного вращения совпадают).
В данной статье мы сфокусируемся на том, что представляет собой схема работы такого двигателя и – самое главное, насколько она эффективна при его эксплуатации.
Устройство и принцип действия
Ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в роторе ток, который начинает взаимодействовать с магнитным полем таким образом, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле.
Относительная разность скоростей вращения ротора и частоты переменного магнитного поля называется скольжением. В установившемся режиме скольжение невелико: 1-8% в зависимости от мощности.
Асинхронный двигатель
Подробнее о принципах работы асинхронного электродвигателя – в частности, на примере агрегата трехфазного тока, вы можете прочесть здесь, на сайте, в одном из наших материалов. Далее же мы разберем, какие бывают разновидности асинхронных электрических машин.
Виды асинхронных двигателей
Можно выделить 3 базовых типа асинхронных электродвигателей:
- 1-фазный – с короткозамкнутым ротором
- 3-х фазный – с короткозамкнутым ротором
- 3-х фазный – с фазным ротором
Схема устройства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
То есть, двигатели классифицируются по количеству фаз (1 и 3) и по типу ротора – с короткозамкнутым и с фазным. При этом число фаз с установленным типом ротора никак не взаимосвязано.
Ещё одна разновидность – асинхронный двигатель с массивным ротором. Ротор сделан целиком из ферромагнитного материала и фактически представляет собой стальной цилиндр, играющий роль как магнитопровода, так и проводника (вместо обмотки). Такой вид двигателя очень прочный и обладает высоким пусковым моментом, однако в роторе могут возникать большие потери энергии, а сам он может сильно нагреваться.
Какой ротор лучше, фазный или короткозамкнутый?
- Более-менее постоянная скорость вне зависимости от разных нагрузок
- Допустимость кратковременных механических перегрузок
- Простая конструкция, легкость пуска и автоматизации
- Более высокие cos φ (коэффициент мощности) и КПД, чем у электродвигателей с фазным ротором
- Трудности в регулировании скорости вращения
- Большой пусковой ток
- Низкий мощностной коэффициент при недогрузках
- Высокий начальный вращающий момент
- Допустимость кратковременных механических перегрузок
- Более-менее постоянная скорость при разных перегрузках
- Меньший пусковой ток, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором
- Возможность использования автоматических пусковых устройств
- Большие габариты
- Коэффициент мощности и КПД ниже, чем у электродвигателей с короткозамкнутым ротором
Какой двигатель лучше выбрать?
Асинхронный или коллекторный? Синхронный или асинхронный? Сказать однозначно, что определенный тип двигателя лучше, точно нельзя. В пользу асинхронных моделей говорят их следующие преимущества.
- Относительно небольшая стоимость
- Низкие эксплуатационные затраты
- Отсутствие необходимости в преобразователях при включении в сеть (только для нагрузок, не нуждающихся в регулировании скорости)
- Отсутствие потребности в дополнительном источнике питания – в отличие от синхронных аналогов
Тем не менее, у асинхроников есть недостатки. А именно:
- Малый пусковой момент
- Высокий пусковой ток
- Отсутствие возможности регулировки скорости при подключении к сети
- Ограничение максимальной скорости частотой сети
- Высокая зависимость электромагнитного момента от напряжения питающей сети
- Низкий мощностной коэффициент – в отличие от синхронных агрегатов
Тем не менее, все перечисленные недостатки можно устранить, если питать асинхронный двигатель от статического частотного преобразователя. Кроме того, если соблюдать правила эксплуатации и не перегружать агрегаты, то они исправно прослужат длительный срок.
Но даже несмотря на то, что синхронные машины обладают довольно конкурентными преимуществами, большинство двигателей сегодня – именно асинхронные. Промышленность, сельское хозяйство, ЖКХ и многие другие отрасли используют именно их за счет высокого КПД. Но коэффициент полезного действия может значительно снижаться за счет таких параметров, как:
- Высокий пусковой ток
- Слабый пусковой момент
- Рассинхрон между механическим моментом на валу привода и механической нагрузкой (это провоцирует высокий рост силы тока и избыточные нагрузки при запуске, а также снижение КПД при пониженной нагрузке)
- Невозможность точной регулировки скорости работы прибора
Другими факторами, от которых зависит КПД асинхронного электродвигателя, являются:
- степень загрузки двигателя по отношению к номинальной
- конструкция и модель
- степень износа
- отклонение напряжения в сети от номинального.
Как избежать снижения КПД?
- Обеспечение стабильного уровня загрузки – не ниже 75%
- Увеличение мощностного коэффициента
- Регулировать напряжение и частоту подаваемого тока
Для этого используются:
- Частотные преобразователи – они плавно изменяют скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения
- Устройства плавного пуска – они ограничивают скорость нарастания пускового тока и его предельное значение, как одни из факторов, из-за которых падает КПД
Итак, асинхронный двигатель имеет довольно широкую область использования и применяется во многих хозяйственных и производственных сферах деятельности. У нас, в компании РУСЭЛТ, представлен широкий выбор электродвигателей данного типа, приобрести который вы можете по ценам, которые ощутимо выгоднее, чем у конкурентов.
Асинхронные электродвигатели
Самый простой и в тоже время емкий ответ на вопрос — что такое электрический двигатель? Звучит следующим образом: устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую (вращательную). В настоящее время принято делить электрические двигатели на три основные класса:
1) асинхронные электродвигатели (АД);
2) синхронные двигатели (СД);
3) двигатели постоянного тока (ДПТ);
Асинхронные электродвигатели получили наибольшее распространение в промышленности, сельском хозяйстве и в других отраслях, т.к. они обладают низкой ценой, приемлемыми рабочими характеристиками, надежны и не требуют дополнительного обслуживания.
Асинхронные электродвигатели состоят из двух основных частей разделенных между собой воздушным зазором:
1) неподвижная — статор;
2) и вращающаяся — ротор.
Сердечник статор набирается из листов электротехнической стали и плотно запрессовывается в станину электродвигателя. В свою очередь на внутренней стороне сердечника статора проделываются сплошные пазы, в которые специальным образом укладываются, как правило, медные обмотки круглого или прямоугольного сечения. Таких обмоток в асинхронном электродвигателе три и называются они фазами, начала и концы которых выводятся в клеммную коробку, расположенную на корпусе электродвигателя.
Роторы в асинхронных электродвигателях бывают двух типов:
1) короткозамкнутый ротор (АД с КЗ ротором);
2) фазный ротор (АД с фазным ротором).
Роторы обоих типов состоят из сердечника, жестко закрепленного на валу электродвигателя. Как и в статоре, сердечник ротора для компенсации вихревых токов набирается из тонких листов электротехнической стали. На внешней стороне ротора тоже проделываются пазы, в которые укладывается роторная обмотка.
В пазы сердечника короткозамкнутого ротора укладываются стержни, соединенные с торцов торцевыми кольцами. Такой тип соединения обмоток напоминает беличье колесо, а ротор такого типа по аналогии принято называть “беличьей клеткой”.
Обмотка фазного ротора намного сложнее и состоит, как и обмотка статора, из трех фаз. А для обеспечения электрического контакта обмоток ротора с внешней цепью, на его валу располагается система из специальных колец и щеток. Асинхронные электродвигатели с фазным ротором получили меньшее распространение по сравнению с электродвигателями с короткозамкнутым ротором в силу их сложности.
С обоих боков статор прикрыт щитами, с смонтированными в центре них подшипниками, на которых ротор подвешивается внутри статора и может свободно вращаться.
Электровигатель в разрезе