Устройство трехфазного ад с фазным ротором. Технические характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Устройство статора. Асинхронный двигатель, как и всякая электрическая машина, состоит из статора и ротора (рис. 3.1, а). Статор имеет цилиндрическую форму. Он состоит из корпуса /, сердечника 2 и обмотки 3. Корпус литой, в большинстве случаев стальной или чугунный. Сердечник статора собирается из тонких листов электротехнической стали (рис. 3.1,б).

Листы для машин малой мощности ничем не покрываются, так как образующийся на листах оксидный слой является достаточной изоляцией. Собранные листы стали образуют пакет статора, который запрессовывается в корпус статора. На внутренней поверхности сердечника вырубаются пазы, в которые укладывается обмотка статора. Обмотки статора могут соединяться звездой или треугольником. Для осуществления таких соединений на корпусе двигателя имеется коробка, в которую выведены начала фаз С1 , С2, СЗ и концы фаз С4, С5, С6. На рис. 3.2, а-в показаны схемы расположения этих выводов и способы соединения их между собой при соединении фаз звездой и треугольником. Схема соединений обмоток статора зависит от расчетного напряжения двигателя и номинального напряжения сети. Например, в паспорте двигателя указано 380/220. Первое число соответствует схеме соединения обмоток в звезду при линейном напряжении в сети 380 В, а второе - схеме соединения в треугольник при линейном напряжении сети 220 В. В обоих случаях напряжение на фазе обмотки будет 220 В.

Корпус статора с торцов закрыт подшипниковыми щитами, в которые запрессованы подшипники вала ротора.

Устройство ротора. Ротор асинхронного двигателя состоит из стального вала 4 (рис. 3.1, а), на который напрессован сердечник 5, выполненный, как и сердечник статора, из отдельных листов электротехнической стали с выштампованными в них закрытыми или полузакрытыми пазами. Обмотка ротора бывает двух типов: короткозамкнутая и фазная – соответственно роторы называются короткозамкнутыми и фазными.



Большее распространение имеют двигатели с короткозамкнутым ротором, так как они дешевле и проще в изготовлении и в эксплуатации. Токопроводящая часть такого ротора, названного М. О. Доливо-Добровольским ротором с беличьей клеткой, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов (рис. 3.3). Как правило, беличья клетка формируется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

Фазный ротор (рис.3.4) имеет три обмотки, соединенные в звезду. Выводы обмоток подсоединены к кольцам 2, закрепленным на валу 3. К кольцам при пуске прижимаются неподвижные щетки 4, которые подсоединяются к реостату 5.

Электродвигатели являются встроенными элементами рабочих узлов техники, и именно они обеспечивают им правильную работу. Неважно, складское ли это оборудование или стиральная машина – эти устройства никак не смогут обойтись без использования электромотора и чаще всего в настоящее время для этого применяются именно асинхронные электродвигатели .

Электродвигатели этого типа на сегодняшний день имеют довольно обширную область применения, чем они обязаны, прежде всего, своим рабочим характеристикам. Дело в том, что их особенностью является практически полная независимость частоты вращения вала от нагрузки на нем.

Асинхронные электродвигатели состоят из двух частей: ротора 1 и статора 2 . Внутренняя его часть называется ротор, эта часть вращается и несет на себе обмотку. Внешняя часть представляет собой корпус двигателя и называется статор, она неподвижна, внутри неё имеются специальные пазы (магнитопровод), куда пофазно уложены витки (секции) обмоток (статорная обмотка). Фазы статорных обмоток могут быть соединены «звездой» или «треугольником».

Собираются обе эти части из изолированных листов штампованной стали толщиной около 0,35-0,5 мм. Для высокомощных машин зазор между ротором и статором делается как можно меньше, порядка 1-1,5 мм, в маломощных двигателях еще меньше. Вал вращается в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах.

Виды асинхронных электродвигателей . Рассмотрим виды асинхронных двигателей и их устройство. В зависимости от конструкции ротора, асинхронные двигатели можно разделить на два вида: с короткозамкнутым и фазным ротором . Главное различие этих видов электродвигателей состоит только в устройстве ротора.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели имеют ротор, внешне очень похожий на беличью клетку. Статорная их обмотка представляет собой стержни, выполненные из алюминия или меди, замкнутые с торцов ротора двумя кольцами. На сегодняшний день электродвигатели малой и средней мощности (до 100 кВт) снабжены «беличьем колесом», сделанным из алюминия, путем заливки его под давлением в пазы ротора.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Обмотки фазного ротора соединены, чаще всего, между собой «звездой». Двигатель с фазным ротором имеет еще одно название – двигатель с контактными кольцами , такое название произошло оттого, что концы обмоток соединяются с тремя медными кольцами, которые электрически изолированы не только от вала двигателя, но и друг от друга. Кольца насажены на сердечник ротора через изоляционные прокладки. На них накладываются специальные щётки, которые даже при вращении имеют электрический контакт с обмотками ротора двигателя. Для изменения скорости щетки соединяют с реостатом.

Принцип действия асинхронных электродвигателей . Питающее напряжение подается на статорную обмотку, образуя вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, воздействуя на обмотку ротора (стержней) наводит в ней ЭДС, создающую электрический ток.

В результате взаимодействия магнитного поля стержней, вызываемого этим электрическим током с магнитным полем статора и образуется сила, создающая вращающийся электромагнитный момент, т. е. вращение ротора.

Частота вращения вала асинхронных электродвигателей зависит, прежде всего, от количества пар полюсов, определяемых количеством катушек на каждую фазу. Так, три катушки обмотки создают двухполюсное магнитное поле (одну пару полюсов). При стандартной частоте 50 Гц скорость вращения ротора будет порядка 3000 об/мин. При увеличении магнитного поля по полюсам снижается скорость вращения ротора, например магнитное поле при шести полюсах имеет скорость в три раза меньше, чем у двухполюсного.

В настоящее время, большее применение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, из-за простоты устройства, а значит, во многом – и простоты ремонта, обслуживания и удобства эксплуатации. Двигатели с фазным ротором используются значительно реже.

Электродвигатель предназначен для преобразования, с малыми потерями, электрическую энергию в механическую.

Предлагаем рассмотреть принцип действия асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, трехфазного и однофазного типа, а также его конструкцию и схемы подключения.

Основные элементы электродвигателя это – статор, ротор, их обмотки и магнитопровод.

Преобразование электрической энергии в механическую происходит во вращающейся части мотора – роторе.

У двигателя переменного тока, ротор получает энергию не только за счет магнитного поля, но и при помощи индукции. Таким образом, они называются асинхронными двигателями. Это можно сравнить с вторичной обмоткой трансформатора. Эти асинхронные двигатели еще называют вращающимися трансформаторами. Чаще всего используется модели рассчитанные на трех фазное включение.

Конструкция асинхронного двигателя

Направление вращения электродвигателя задается правилом левой руки буравчика: оно демонстрирует связь между магнитным полем и проводником.

Второй очень важный закон – Фарадея:

1. ЭДС наводиться в обмотке, но электромагнитный поток меняется во временем.
2. Величина наведенной ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения электрического потока.
3. Направление ЭДС противодействует току.

Принцип действия

При подаче напряжения на неподвижные обмотки статора, оно создает магнитное в статора. Если подается напряжение переменного тока, то магнитный поток, созданный им, изменяется. Так статор производит изменение магнитного поля, и ротор получает магнитные потоки.

Таким образом, ротор электродвигателя принимает эти поток статора и, следовательно, вращается. Это основной принцип работы и скольжения в асинхронных машинах. Из вышеизложенного следует отметить, что магнитный поток статора (и его напряжение) должно быть равно переменному току для вращения ротора, так что асинхронная машина может работать только от сети переменного тока.

Когда такие двигатели действуют в качестве генератора, они будет генерировать непосредственно переменный ток. В случае такой работы, ротор вращается с помощью внешних средств скажем, турбины. Если ротор имеет некоторый остаточный магнетизм, то есть некоторые магнитные свойства, которые сохраняет по типу магнита внутри материала, то ротор создает переменный поток в стационарной обмотке статора. Так что это обмотки статора будут получать наведенное напряжение по принципу индукции.

Индукционные генераторы используются в небольших магазинах и домашних хозяйствах, чтобы обеспечить дополнительную поддержку питания и являются наименее дорогостоящими из-за легкого монтажа. В последнее время они широко используется людьми в тех странах, где электрические машины теряют мощность из-за постоянных перепадов напряжения в питающей электросети. Большую часть времени, ротор вращается при помощи небольшого дизельного двигателя соединенного с асинхронным генератором переменного напряжения.

Как вращается ротор

Вращающийся магнитный поток проходит через воздушный зазор между статором, ротором и обмоткой неподвижных проводников в роторе. Этот вращающийся поток, создает напряжение в проводниках ротора, тем самым заставляя наводиться в них ЭДС. В соответствии с законом Фарадея электромагнитной индукции, именно это относительное движение между вращающимся магнитным потоком и неподвижными обмотками ротора, которые возбуждает ЭДС, и является основой вращения.

Двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором проводники ротора образовывают замкнутую цепь, в следствии чего возникает ЭДС наводящая ток в нем, направление задается законом Ленса, и является таким, чтобы противодействовать причине его возникновения. Относительное движение ротора между вращающимся магнитным потоком и неподвижным проводником и является его действием к вращению. Таким образом, чтобы уменьшить относительную скорость, ротор начинает вращаться в том же направлении, что и вращающийся поток на обмотках статора, пытаясь поймать его. Частота наведенной на него ЭДС такая же, как частота питания.

Гребневые асинхронные двигатели

Когда напряжение питания низкое, возбуждение обмоток короткозамкнутого ротора не происходит. Это обусловлено тем что, когда число зубцов статора и число зубьев ротора равное, таким образом вызывая магнитную фиксацию между статором и ротором. Этот физический контакт иначе называется зубо-блокировкой или магнитной блокировкой. Данная проблема может быть преодолена путем увеличения количества пазов ротора или статора.

Подключение

Асинхронный двигатель можно остановить, просто поменяв местами любые два из выводов статора. Это используется во время чрезвычайных ситуаций. После он изменяет направление вращающегося потока, который производит вращающий момент, тем самым вызывая разрыв питания на роторе. Это называется противофазным торможением.

Видео: Как работает асинхронный двигатель

Для того чтобы этого не происходило в однофазном асинхронном двигателе, необходимо использование конденсаторного устройства.

Его нужно подключить к пусковой обмотке, но предварительно обязательно проводится его расчет. Формула

QC = U с I 2 = U 2 I 2 / sin 2

Схема: Подключение асинхронного двигателя

Из которой следует, что электрические машины переменного тока двухфазного или однофазного типа, должны снабжаться конденсаторами с мощностью, равной самой мощности двигателя.

Аналогия с муфтой

Рассматривая принцип действия асинхронного электродвигателя, используемого в промышленных машинах, и его технические характеристики, нужно сказать про вращающуюся муфту механического сцепления. Крутящий момент на валу привода должен равняться крутящему моменту на ведомом валу. Кроме того, следует подчеркнуть, что эти два момента являются одним и тем же, поскольку крутящий момент линейного преобразователя вызывается трением между дисков внутри самой муфты.

Похожий принцип действия и у тягового двигателя с фазным ротором. Система такого мотора состоит из восьми полюсов (из которых 4 – основные, а 4 – добавочные), и остовы. На основных полюсах расположены медные катушки. Вращение такого механизма обязано зубчатой передаче, которая получает крутящий момент от вала якоря, так же называемого сердечником. Включение в сеть, производится четырьмя гибкими кабелями. Основное назначение многополюсного электродвигателя – приведение в движение тяжелой техники: тепловозы, тракторы, комбайны и в некоторых случаях, станки.

Достоинства и недостатки

Устройство асинхронного двигателя является практически универсальным, но так же, у данного механизма есть свои плюсы и минусы.

Преимущества асинхронных двигателей переменного тока:

1. Конструкция простой формы.
2. Низкая стоимость производства.
3. Надежная и практичная в обращении конструкция.
4. Не прихотлив в эксплуатации.
5. Простая схема управления

Эффективность этих двигателей очень высока, так как нет потерь на трение, и относительно высокий коэффициент мощности.

Недостатки асинхронных двигателей переменного тока:

1. Не возможен контроль скорости без потерь мощности.
2. Относительно небольшой пусковой момент.

Для преобразования электрической энергии в механическую, применяются специальные устройства. В частности это асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который является наиболее простым прибором данного типа.

Что это такое

Асинхронный двигатель – это устройство, которое используется для преобразования энергии электричества в механическую. Работает от сети переменного тока. Главным отличием от синхронной машины является то, что у данного двигателя частота вращения статора больше, нежели частота ротора. Этот электродвигатель пользуется большой популярностью благодаря своей надежности и простоте в использовании.

Трехфазный и однофазный двигатель состоит из статора и короткозамкнутого ротора, это отлично демонстрирует чертеж ниже. Статор состоит из отдельных цилиндрических листов стали и ротора. В пазах уложена обмотка, которая обустроена из обычного силового кабеля. Обмотка каждого паза находится по отношению к другому под углом 120 градусов, в разрезе становится видно, что во время работы пазы становятся звездой или треугольником.

Фото – асинхронный двигатель

Ротор – это сердечник, который находится внутри статора. Он также собран из отдельных стальных листов, которые соединены между собой при помощи расплавленного алюминиевого сплава. Благодаря этому вся конструкция образовывает собой шпильки (стержни). Они в свою очередь соединяются короткими кольцами, крепящимися к торцам стержней. Такая беличья клетка может быть соединена также медными кольцами, но тогда двигатель используется при меньших напряжениях, чтобы не расплавить металл.

Фото – конструкция ротора

Нужно отметить, что благодаря такой конструкции, обслуживание двигателя с асинхронным типом работы более простое, нежели синхронного. Из-за отсутствия щеток значительно продлевается эксплуатация прибора.

Приборы бывают в закрытом и открытом исполнении. Взрывозащищенный прибор находится в специальном кожухе, он защищен от возгорания при нестабильной работе сети. Также зависимо от расположения ротора, устройства бывают следующего типа:

1. Горизонтального;
2. Вертикального.

Достоинства:

1. Доступностью. Сравнительно с синхронными машинами, асинхронные стоят гораздо меньше. Кроме того они очень распространены. Их можно найти в специализированных магазинах, рынках, интернет-порталах;
2. Надежность. Помимо отсутствия щеток, которые перетираются значительно продлевает срок использования, устройство также поддается небольшим перегрузкам. Это необходимо, если двигатель используется на мощных производствах, где возможны перепады напряжения;
3. Легкость в использовании. Пуск выполняется простыми интуитивно понятными действиями. Для включения используется простая схема;
4. Высокие показатели КПД, сравнительно с синхронными машинами.

Фото – типы двигателей

При этом у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором есть недостатки:

1. Высокие показатели пускового тока при номинальной скорости. При первом запуске возможны сильные перегрузки электрической сети;
2. Низкий уровень защиты. Несмотря на защищенное исполнение обмоток, моторы такого типа подвержены поломкам. В частности, часто сгорает обмотка при постоянных перепадах напряжения;
3. Слишком низкий коэффициент скольжения.

Видео: Трехфазные асинхронные двигатели

Принцип работы

В момент, когда электрическая энергия подается на статор, каждая фаза начинает излучать определенное магнитное поле. Каждое из них повернуто по отношению к другому на 120 градусов. Благодаря этому общий поток магнитного поля становится вращающимся. Эти магнитные потоки в статоре создают электромагнитную индукцию. Из-за того, что обмотка ротора короткозамкнута, в ней возникает определенная сила тока. Этот ток взаимодействует с магнитным полем и возникает пусковая реакция. В момент максимальной скорости вращения, ротор сначала приостанавливается, производя тормозной момент, а после начинает вращаться. Далее, возникает пусковое скольжение.

Фото – схема пуска

Это механическая величина, которая определяет соотношение частоты магнитного поля статора и частоту вращения ротора. Измеряется она в процентах. Это очень важный показатель, т. к. по его размеру можно определить разность вращения ротора и статора, а, следовательно, и работу двигателя.

На начальном этапе работы скольжение равняется нолю, но после уменьшения электромагнитной индукции оно уменьшается или увеличивается в зависимости от типа работы. Например, на холостом ходу показатель уменьшается, в то время как на максимальной скорости скольжение увеличивается. Максимальное скольжение называется критическим. После того, как прибор начинает вращаться с максимальной скоростью, нужно следить за показателем скольжения. Иначе при превышении заданного уровня нарушается стабильность работы. Это влечет за собой не только поломку отдельных деталей устройства, в частности, стальных пластин, перегруженных от трения, но и полную поломку двигателя. Расчет производится посредством формулы:

S = ((n1 – n2) / n1) * 100 %

Где n1 – вращение поля статора, а n2 – вращение ротора.

При неисправности асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором падают его технические характеристики, как результат, он останавливается. Средним уровнем скольжения считаются показатели от 1 до 8 процентов. В некоторых типах допускается небольшое отклонение от этой нормы. Исходя из этого, электрические асинхронные модели работают благодаря взаимодействию магнитных полей статора с токами, которые возникают в обмотках ротора.

Фото – подключение двигателя

Технические характеристики и обозначение

Каждый электродвигатель имеет свои параметры работы, поэтому перед тем, как покупать устройство, нужно рассчитать потребные данные. Рассмотрим, какие технические характеристики имеет асинхронный двигатель типа АИР с короткозамкнутым ротором.

Стоит обращать внимание также на маркировку двигателей. Как видите, после обозначения марки двигателя, в таблице выше – это модели серии АИР, следует буквенное и численное определение класса двигателя.

Б – обдуваемые модели, обладают защитой от перегрева, его еще называют двигатель-вентилятор (например, модели АОД);
В – встроенного типа;
С – высокие показатели скольжения;
Е – встроенный тормоз;
Е2 – ручная остановка;
3Е – однофазная модель с трехфазной обмоткой;
Ж – погружной наносный двигатель;
Р3 – модель для мотор-генераторов;
Ш – швейный мотор, но также можно будет подключить к другим аналогичным по потребной мощности, устройствам;

К – крановое исполнение;
П – обладает высокими показателями точности при работе, максимально защищен от перегрузок;
А – используются в атомном производстве;

Х – стойкие к химическому воздействию.

Купить асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором можно в специальном электротехническом магазине, цена будет зависеть от его типа и характеристик. В среднем стоимость варьируется от 800 рублей до нескольких тысяч.

Простота производства, дешевизна, надежность в работе привели к тому, что асинхронный двигатель (АД) стал самым распространенным электродвигателем. Они могут работать как от трехфазной электрической сети, так и от однофазной.

Трехфазные асинхронные двигатели применяются:

В нерегулируемых электроприводах насосов, вентиляторов, компрессоров, нагнетателей, дымососов, транспортеров, автоматических линий, кузнечно-штамповочных машин и др.:

В регулируемых электроприводах металлорежущих станков, манипуляторов, роботов, грузоподъемных механизмов, общепромышленных механизмов с изменяющейся производительностью и др.

Конструкция трехфазного асинхронного двигателя

В зависимости от способа выполнения обмотки ротора асинхронного двигателя последние разделяются на две группы: двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе и двигатели с фазной обмоткой на роторе.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе более дешевы в производстве, надежны в эксплуатации, имеют жесткую механическую характеристику, т. е. при изменении нагрузки от нуля до номинальной частота вращения машины уменьшается всего на 2-5%. К недостаткам таких двигателей относятся трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах, сравнительно небольшой пусковой момент, а также большие пусковые токи, в 5-7 раз превышающие номинальный.

Указанными недостатками не обладают двигатели с фазным ротором, но конструкция ротора у них существенно сложнее, что ведет к удорожанию двигателя в целом. Поэтому их применяют в случае тяжелых условий пуска и при необходимости плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне. В лабораторной работе рассматривается двигатель с короткозамкнутым ротором.

Трёхфазный асинхронный двигатель имеет неподвижную часть – статор 6 (рис. 6.1), на котором расположена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле, и подвижную часть – ротор 5 (рис. 6.1), в котором создается электромагнитный момент, приводящий во вращение сам ротор и исполнительный механизм.

Сердечник статора имеет форму полого цилиндра (рис. 6.2). Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов он набирается из отдельных, изолированных друг от друга лаковой пленкой листов электротехнической стали.

На внутренней поверхности сердечника расположены пазы, в которые укладывается обмотка статора. Сердечник запрессован в корпус (станину) 7 (рис. 6.1), изготовляемый из чугуна или сплава алюминия.

У двигателя с одной парой полюсов обмотка статора выполняется из трех одинаковых катушек, называемых фазами. Каждая фаза обмотки укладывается в противоположные пазы сердечника статора, фазы обмотки сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол и соединены между собой по особым правилам. Начала и концы фаз обмотки статора присоединяются к выводным зажимам клемной коробки 4 (рис. 6.1), что позволяет соединить фазы обмотки статора звездой или треугольником. В связи с этим асинхронный двигатель можно включить в сеть с линейным напряжением, равным Uф обмотки (обмотка статора соединяется треугольником) или

Uф (обмотка соединяется звездой).

Рис. 6.1. - Общий вид асинхронного двигателя:

подшипники - 1 и 11, вал - 2, подшипниковые щиты - 3 и 9, клёммная коробка – 4, ротор - 5, статор - 6, станина - 7,

лобовые части фазной обмотки статора - 8, вентилятор - 10, колпак - 12, ребра - 13, лапы – 14, болт заземление - 15

Рис. 6.2.

Ротор 5 (рис. 6.1) состоит из сердечника и короткозамкнутой обмотки. Сердечник ротора 1 (рис. 6.3) набирается из листов электротехнической стали и крепится на валу 2 (рис. 6.3) двигателя, листы изолируются друг от друга окалиной, образующийся в процессе прокатки. Листы ротора имеют пазы, в которых размещаются обмотка.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе имеют ряд конструктивных исполнений по форме пазов на роторе. Форма пазов ротора выбирается в зависимости от требований к пусковым характеристикам двигателя. Наиболее рациональными для пазов ротора с короткозамкнутой клеткой являются трапецеидальные овальные пазы. Существуют и другие модификации пазов ротора (бутылочного и трапецеидального профиля).

Короткозамкнутая обмотка ротора 3 (рис. 6.3) обычно выполняется литой из алюминиевого сплава. В процессе заливки образуются как стержни (проводники) обмотки, расположенные в пазах, так и замыкающие их накоротко кольца, расположенные вне сердечника ротора. Кольца могут быть снабжены вентиляционными лопатками для улучшения вентиляции двигателя и теплоотвода от обмотки ротора. Отсутствие изоляции обмотки ротора обеспечивает хороший отвод тепла от обмотки к сердечнику. Такую короткозамкнутую обмотку ротора, называемую «беличьей клеткой».

Вал вращается в подшипниках, укрепленных в боковых щитах 3 и 9 (рис. 6.1), называемых подшипниковыми. Подшипниковые щиты крепятся к станине 7 (рис. 6.1) при помощи болтов.

Между ротором и статором асинхронного двигателя имеется воздушный зазор. При выборе воздушного зазора сталкиваются противоречивые тенденции. Минимальный (выбранный по механическим соображениям) воздушный зазор приводит к уменьшению тока холостого хода двигателя и увеличению коэффициента мощности. Однако при малом воздушном зазоре увеличиваются добавочные потери в поверхностном слое статора и ротора, добавочные моменты и шум двигателя. Вследствие роста потерь уменьшается КПД. Поэтому в современных сериях асинхронных двигателей воздушный зазор выбирается несколько большим, чем требуется по механическим соображениям (чтобы ротор при работе не задевал о статор).

Принцип действия асинхронного двигателя основан на двух явлениях: образовании вращающегося магнитного поля токами обмотки статора и воздействии этого поля на токи, индуцированные в короткозамкнутых витках обмотки ротора.