Двигатель с фазным ротором принцип работы

Устройство и принцип работы асинхронных двигателей с фазным ротором

Устройство и принцип работы асинхронных двигателей с фазным ротором - фото 1

  1. Начало запуска параллельно сопровождается переходом фазного ротора из спокойного состояния к постепенному равномерному вращению, во время которого машина начинает уравновешивать момент сил сопротивления на собственном валу.
  2. При совершении запуска наблюдается увеличение объемов потребления электроэнергии из сети. Усиленное питание обуславливается необходимостью преодоления тормозного момента, приложенного к валу; передачей движущимся элементам кинетической энергии и компенсацией потерь внутри самого двигателя.
  3. Начало пускового момента и параметры скольжения в этот период напрямую зависят от активного сопротивления, которое оказывают резисторы, введенные в роторную цепь.
  4. Иногда показателей малого начального пускового момента бывает недостаточно для того, чтобы перевести асинхронный агрегат в полноценный рабочий режим. В такой ситуации, ускорение не является достаточным, а пусковой электрический ток со значительными показателями воздействует на обмотки двигателя, что вызывает их чрезмерный нагрев. Это может ограничить частоту его включений, а если машина была подключена к электросети с малой мощностью, такой запуск может вызвать понижение общего напряжения, что негативно сказывается на функционировании иных потребителей.
  5. Благодаря введению в роторную цепь пусковых резисторов происходит понижение показателей электрического тока и пропорциональное увеличение начального пускового момента вплоть до достижения им максимальных параметров.
  6. Последующее увеличение параметров сопротивления резисторов не является необходимым условием, поскольку оно будет способствовать снижению начального пускового момента и постепенному отклонению от максимальных характеристик его работы. Область скольжения при этом рискует достигнуть недопустимых показателей, что негативно скажется на разгоне ротора.
  7. Пуск двигателя может быть легким, нормальным или тяжелым, именно этот фактор определит оптимальное значение сопротивления резисторов.
  8. Далее, необходимо только поддержание достигнутого вращающего момента во время разгона ротора, это позволяет сократить длительность переходного процесса, в котором находится запущенная машина, а также способствует снижению степени нагрева. Для достижения этих целей, осуществляется постепенное понижение показателей сопротивления пусковых резисторов. Параметры допустимого изменения момента зависят от общих условий, которые определяют пиковый предел этого параметра.
  9. Процесс переключения разных резисторов осуществляется за счет последовательного подключения контакторов ускорения. На протяжении всего пуска, моменты, во время которых достигаются пиковые значения, являются одинаковыми, а периоды переключения равными между собой.
  10. Процесс отключения машины от электросети разрешается осуществлять при накоротко замкнутой роторной цепи, поскольку, в противном случае имеется риск возникновения перенапряжения в обмоточных фазах статора.
  11. Параметры напряжения могут достичь значения, которое превосходит его номинальные показатели в 3-4 раза, если во время отключения машины роторная цепь находилась в разомкнутом состоянии.

Устройство - изображение 3

Технические характеристики

Принцип работы - изображение 4

  1. Габариты и мощность двигателя, которые должны иметь показатели, соответствующие техническому регламенту.
  2. Уровень защиты должен соответствовать условиям, в которых происходит процесс эксплуатации, поскольку различные виды машин могут быть предназначены для установки на улице или только внутри помещений.
  3. Высокая степень изоляции, которая должна обладать устойчивостью к повышению рабочей температуры и последующему нагреву.
  4. Различные виды асинхронных двигателей предназначены для использования в определенных климатических условиях. Это касается в первую очередь установки подобных машин в крайне холодных местностях или, наоборот, жарких областях. Исполнение агрегата должно соответствовать климату местности, в которой проходит процесс эксплуатации.
  5. Полное соответствие режимам функционирования.
  6. Наличие системы охлаждения, которая должна соответствовать рабочим режимам машины.
  7. Уровень шума при запуске агрегата на холостом ходу должен соответствовать второму классу или быть ниже его.

Устройство

Преимущества и недостатки - фотография 5

  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

Применение - фото 6

  1. На статор с тройной обмоткой подаётся трехфазное напряжение, идущее от внешней электросети с переменным током.
  2. Последовательно происходит процесс возбуждения магнитного поля, которое начинает совершать вращательные движения.
  3. Совершаемые вращения постепенно становятся быстрее скорости ротора.
  4. Начинает происходить пересечение отдельных линий полей статора и ротора, что обуславливает возникновение электродвижущей силы.
  5. Электродвижущая сила оказывает прямое воздействие на закороченную обмотку ротора, благодаря чему в ней начинает появляться электрический ток.
  6. Начинает происходить взаимодействие между возникшим в роторе током и статорным магнитным полем, из-за этого образуется крутящий момент, обеспечивающий функционирование асинхронной машины.

Преимущества и недостатки

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей - фотография 7

Преимущества

  1. Значительные показатели, которых способен достигать начальный вращающий момент после запуска машины.
  2. Механические перегрузки, которые возникают на протяжении коротких промежутков времени, переносятся агрегатом без каких-либо значимых последствий и не оказывают влияния на процесс функционирования машины.
  3. При возникновении разнообразных перегрузок в системе, двигатель сохраняет постоянную скорость, возможные отклонения не являются значимыми.
  4. Показатели пускового тока значительно меньше, чем у большинства асинхронных аналогов, например, имеющих в своей конструкции короткозамкнутый ротор.
  5. Использование подобных агрегатов предусматривает возможность использования систем, автоматизирующих процесс их запуска и введения в рабочее состояние.
  6. Конструкция и устройство таких машин являются довольно простыми.
  7. Запуска агрегата осуществляется по простой схеме, не подразумевающей значимых усилий.
  8. Относительно невысокая стоимость.
  9. Обслуживание таких машин не требует значительных затрат сил и времени.

Недостатки

  1. Большие размеры двигателя, которые могут причинять некоторые неудобства при монтаже и эксплуатации.
  2. Коэффициент полезного действия и общая выработка у них намного ниже, чем у многих аналогов. Разновидность агрегатов с короткозамкнутым ротором значительно превосходит их по этим показателям.

Применение

  1. Устройств автоматики и приборов из телемеханической области.
  2. Бытовых приборов.
  3. Медицинского оборудования.
  4. Оборудования, предназначенного для осуществления аудиозаписи.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Достоинства асинхронных электродвигателей - фото 10

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

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».

Недостатки асинхронных электродвигателей - фото 11

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

Режимы работы - фотография 12

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.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска 1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления 2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется 3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени 4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации 5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы  
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия  

Недостатки асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Не регулируется скорость вращения ротора 1. Большие габариты
2. Маленький пусковой момент 2. Коэффициент полезного действия ниже
3. Высокий пусковой ток 3. Частое обслуживание из-за износа щеток
  4. Некоторая сложность конструкции и наличие движущихся контактов

Режимы работы

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей - фото 13

  • Продолжительный;
  • Кратковременный;
  • Периодический;
  • Повторно-кратковременный;
  • Особый.

Продолжительный режим -- основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Принцип работы АД (асинхронного двигателя) с фазным ротором - фото 14

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.

Принцип работы АД (асинхронного двигателя) с фазным ротором

Технические характеристики - фото 16Асинхронный 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.

Содержание

  • 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.

Устройство и конструкция - фотография 17Во 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.

Принцип работы - фото 18

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.

Сферы применения - фото 20

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.

Устройство, принцип работы и схема подключения асинхронного двигателя с фазным ротором - изображение 21

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.

Ремонт и характеристики неисправностей

Внешние причины ремонта

  • обрыв провода или нарушение соединений с электрическим током,
  • сгорание предохранителей,
  • понижение или повышения напряжения,
  • перегруженность АД,
  • неравномерная вентиляция в зазоре.

Внутренняя поломка может возникнуть по механическим и электрическим причинам.

Механические причины ремонта

  • неправильное регулирование зазора подшипников,
  • повреждение вала ротора,
  • расшатывание щеткодержателей,
  • возникновение глубоких выработок,
  • истощение креплений и трещины.

Электрические причины ремонта:

  • замыкания витков,
  • поломка провода в обмотках,
  • пробивание изоляции,
  • пробой пайки проводов.

Данные причины – это далеко не полный список поломок.

Асинхронный двигатель – незаменимый и важный механизм, применяемый для обслуживания быта и различных отраслей промышленности. Для практического действия АД с фазным ротором необходимо знать техническую характеристику управления, использовать его по назначению и регулярно проводить ремонт при технических осмотрах. Тогда асинхронный двигатель станет практически вечной эксплуатации.

Управление асинхронным двигателем

  • прямое подключение к сети питания
  • подключение от устройства плавного пуска
  • подключение от преобразователя частоты

АД с экранированным полюсом - изображение 61

Варианты подключения асинхронного электродвигателя с помощью магнитного пускателя (слева), устройства плавного пуска (посеридине) и частотного преобразователя (справа). Схемы представлены в упрощенном виде.FU1-FU9 - плавкие предохранители, KK1 - тепловое реле, KM1 - магнитный пускатель, L1-L3 - контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, M1-M3 - асинхронные электродвигатели, QF1-QF3 - автоматические выключатели, UZ1 - устройство плавного пуска, UZ2 - преобразователь частотыПрямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

  • нереверсивного пуска: пуск и остановка;
  • реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Трехфазные АД - фотография 62Нереверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного электрического тока через магнитный пускательL1, L2, L3 - контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, QF1 - автоматический выключатель, SB1 - кнопка остановки, SB2 - кнопка пуска, KM1 - магнитный пускатель, KK1 - тепловое реле, HL1 - сигнальная лампа, M - трехфазный асинхронный двигатель

Реверсивная схема

АД с замкнутым ротором - фотография 63

Реверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного электрического тока через магнитные пускателиL1, L2, L3 - контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, QF1 - автоматический выключатель, KM1, KM2 - магнитные пускатели, KK1 - тепловое реле, M - трехфазный асинхронный двигатель, SB1 - кнопка остановки, SB2 - кнопка пуска "вперед", SB3 - кнопка пуска "назад" (реверс), HL1, HL2 - сигнальные лампы

Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь.

Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

  • уменьшить энергопротребление электродвигателя;
  • управлять скоростью вращения электродвигателя (плавный запуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
  • избежать перегрузок электродвигателя и тем самым увеличить его срок службы.

АД с фазным ротором - фотография 64

Функциональная схема частотно-регулируемого привода

  • скалярное управление;
  • векторное управление.

Скалярное управление является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки - медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).

ЛЕКЦИЯ 12. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ - фото 65

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Синхронный двигатель, принцип и теория работы, строение и применение - фото 66

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

  • полеориентированное управление по датчику;
  • полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, которая имеется в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество пар полюсов двигателя).

Принцип синхронного двигателя - фото 67

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем без датчика положения ротора

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Двигатели по типу изготовления подвижной части

1. Имеющие короткозамкнутую обмотку ротора. Один из вариантов исполнения этой детали показан на рисунке.

Двигатель с фазным ротором принцип работы - изображение 83

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет обмотку, сделанную из алюминиевых стержней, которые располагаются в пазах сердечника. В торцевой части они замкнуты кольцами накоротко.

2. Электродвигатели, имеющие ротор, изготовленный с контактными кольцами.

Двигатель с фазным ротором принцип работы - фото 84

Как это работает?

Устройство и принцип действия асинхронных двигателей, как и всех других, основаны на том, что для приведения в движение ротора используют вращение магнитного поля. Трехфазный АД является единственным типом мотора, в котором оно создается естественным образом из-за характера питания. В двигателях постоянного тока для этого используется механическая или электронная коммутация, а в однофазных АД – дополнительные электрические элементы.

Для работы электромотора необходимо наличие двух наборов электромагнитов. Принцип действия асинхронного электродвигателя состоит в том, что один набор формируется в статоре, так как к его обмотке подключается источник переменного тока. В соответствии с законом Ленца, это индуцирует в роторе электромагнитную силу (ЭДС) так же, как напряжение индуцируется во вторичной обмотке трансформатора, создавая другой набор электромагнитов. Отсюда и еще одно название АД – индукционный мотор. Устройство и принцип действия асинхронных двигателей основаны на том, что взаимодействие между магнитными полями этих электромагнитов генерирует крутящую силу. В итоге ротор вращается в направлении результирующего момента.

Двигатель с фазным ротором принцип работы - фото 90

Статор

Статор состоит из нескольких тонких пластин из алюминия или чугуна. Их спрессовывают друг с другом, чтобы сформировать полый цилиндр сердечника с пазами. В них укладывают изолированные провода. Каждая группа обмоток вместе с окружающим их сердечником после подачи на нее переменного тока образует электромагнит. Число полюсов АД зависит от внутреннего соединения обмоток статора. Оно сделано таким образом, что при подключении источника питания образуется вращающееся магнитное поле.

Ротор

Ротор состоит из нескольких тонких стальных пластин с равномерно расположенными по периферии стержнями из алюминия или меди. В наиболее популярном его типе – короткозамкнутом, или «беличьей клетке», – стержни на концах механически и электрически соединены с помощью колец. Почти в 90% АД используется такая конструкция, так как она проста и надежна. Ротор состоит из цилиндрического пластинчатого сердечника с аксиально размещенными параллельными пазами для установки проводников. В каждый паз укладывается стержень из меди, алюминия или сплава. Они замкнуты накоротко с обеих сторон с помощью концевых колец. Такая конструкция напоминает беличью клетку, из-за чего и получила соответствующее название.

Пазы ротора не совсем параллельны валу. Их делают с небольшим перекосом по двум основным причинам. Первая заключается в обеспечении плавной работы АД за счет уменьшения магнитного шума и гармоник. Вторая заключается в снижении вероятности застопоривания ротора: его зубцы зацепляются за прорези статора за счет прямого магнитного притяжения между ними. Это происходит, когда их число совпадает. Ротор устанавливается на валу с помощью подшипников на каждом конце. Одна часть обычно выступает больше, чем другая, для приведения в движение нагрузки. В некоторых двигателях на нерабочем конце вала крепятся датчики скорости или положения.

Между статором и ротором имеется воздушный зазор. Через него передается энергия. Сгенерированный крутящий момент заставляет ротор и нагрузку вращаться. Вне зависимости от типа используемого ротора, устройство и принцип действия асинхронного двигателя остаются неизменными. Как правило, АД классифицируются по числу обмоток статора. Различают однофазные и трехфазные электрические моторы.

Двигатель с фазным ротором принцип работы - изображение 91

Устройство и принцип действия однофазного асинхронного двигателя

Однофазные АД составляют наибольшую часть электромоторов. Вполне логично, что наименее дорогой и непритязательный к обслуживанию двигатель используется наиболее часто. Как следует из названия, назначение, принцип действия асинхронного двигателя этого типа основаны на наличии только одной обмотки статора и работе с однофазным источником питания. У всех АД данного типа ротор является короткозамкнутым.

Однофазные моторы самостоятельно не запускаются. Когда двигатель подключается к источнику питания, по основной обмотке начинает течь переменный ток. Он генерирует пульсирующее магнитное поле. Из-за индукции ротор находится под напряжением. Поскольку главное магнитное поле пульсирует, крутящий момент, необходимый для вращения двигателя, не генерируется. Ротор начинает вибрировать, а не вращаться. Поэтому для однофазного АД требуется наличие пускового механизма. Он может обеспечить начальный толчок, заставляющий вал двигаться.

Стартовый механизм однофазного АД состоит в основном из дополнительной обмотки статора. Ей могут сопутствовать последовательный конденсатор или центробежный выключатель. При подаче напряжения питания ток в основной обмотке отстает от напряжения из-за ее сопротивления. В то же время электричество в стартовой обмотке отстает или опережает напряжение питания в зависимости от импеданса пускового механизма. Взаимодействие между магнитными полями, генерируемыми основной обмоткой и стартовой схемой, создает результирующее магнитное поле. Оно вращается в одном направлении. Ротор начинает поворачиваться в направлении результирующего магнитного поля.

После того как скорость мотора достигнет около 75% от номинальной, центробежный выключатель отключает пусковую обмотку. Далее двигатель может поддерживать достаточный крутящий момент, чтобы действовать самостоятельно. За исключением моторов со специальным стартовым конденсатором, все однофазные электродвигатели, как правило, используются для создания мощности, не превышающей 500 Вт. В зависимости от различных методов пуска, однофазный АД дополнительно классифицируются, как описано в следующих разделах.

Двигатель с фазным ротором принцип работы - фото 92

АД с расщепленной фазой

Назначение, устройство и принцип действия асинхронного двигателя с расщепленной фазой основаны на использовании в нем двух обмоток: стартовой и основной. Пусковая выполнена из проволоки меньшего диаметра и меньшим количеством витков по отношению к основной, чтобы создать большее сопротивление. Это позволяет ориентировать ее магнитное поле под углом. Он отличается от направления основного магнитного поля, что приводит к вращению ротора. Рабочая обмотка, которая сделана из провода большего диаметра, обеспечивает функционирование двигателя в остальное время.

Пусковой момент низкий, как правило, от 100 до 175% от номинального. Двигатель потребляет высокий стартовый ток. Он в 7–10 раз превышает номинальный. Максимальный крутящий момент также в 2,5–3,5 раза больше. Данный тип моторов используется в небольших шлифовальных машинках, вентиляторах и воздуходувках, а также в других устройствах, требующих низкого крутящего момента, мощностью от 40 до 250 Вт. Следует избегать применения подобных двигателей там, где часты циклы включения-выключения или требуется высокий вращающий момент.

АД с конденсаторным пуском

Конденсаторный асинхронный тип двигателя и принцип его работы основаны на том, что к его пусковой обмотке с расщепленной фазой последовательно подключена емкость, обеспечивающая стартовый «импульс». Как и в предыдущей разновидности моторов, здесь также имеется центробежный выключатель. Он отключает стартовый контур, когда скорость двигателя достигает 75% от номинальной. Так как конденсатор включен последовательно, это создает больший пусковой момент, достигающий 2–4-кратного размера от рабочего. А пусковой ток, как правило, составляет в 4,5–5,75 раз превышает номинальный, что значительно ниже, чем в случае расщепленной фазы, из-за большего провода в стартовой обмотке.

Модифицированным вариантом пуска отличается двигатель с активным сопротивлением. В этом типе мотора емкость заменена резистором. Сопротивление используется в тех случаях, когда требуется меньший стартовый крутящий момент, чем при использовании конденсатора. Помимо более низкой стоимости, это не дает преимущества перед емкостным пуском. Данные двигатели используются в агрегатах с ременным приводом: небольших конвейерах, больших вентиляторах и насосах, а также во многих устройствах с прямым приводом или с использованием редуктора.

Двигатель с фазным ротором принцип работы - изображение 93

Фазный ротор

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

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

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

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

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

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором

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

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

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

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

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

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

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

Основные неисправности асинхронного двигателя с фазным ротором

Неисправность

Возможная причина

Не развивает номинальную скорость вращения и гудит

Одностороннее притяжение ротора вследствие:

а) износа подшипников; б) перекоса подшипниковых щитов; в) изгиба вала

Плохо развивает скорость и гудит, ток во всех трех фазах различен и даже на холостом ходу превышает номинальный

1. Неправильно соединены обмотки и одна из фаз оказалась "перевернутой"

2. Оборван стержень обмотки ротора

Ротор не вращается или вращается медленно, двигатель гудит

Оборвана фаза обмотки статора

Вибрирует вся машина

1. Нарушено центрирование соединительных полумуфт или соосность валов

2. Неуравновешены ротор, шкив и полумуфты

Вибрация исчезает после отключения от сети, ток в фазах статора становится неодинаков, один из участков обмотки статора быстро нагревается

Короткое замыкание в обмотке статора

Перегревается при номинальных перегрузках

1. Витковое замыкание в обмотке статора

2. Загрязнение обмоток или вентиляционных каналов

Низкое сопротивление

1. Увлажнение или загрязнение обмоток

2. Старение изоляции

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 1210)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты