Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Учитывая то, что электроснабжение традиционно осуществляется путём доставки потребителям переменного тока, понятно стремление к созданию электромашин, работающих на поставляемой электроэнергии. В частности, переменный ток активно используется в асинхронных электродвигателях, нашедших широкое применение во многих областях деятельности человека. Особого внимания заслуживает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который в силу ряда причин занял прочные позиции в применении.

Секрет такой популярности состоит, прежде всего, в простоте конструкции и дешевизне его изготовления. У электромоторов на короткозамкнутых роторах есть и другие преимущества, о которых вы узнаете из данной статьи. А для начала рассмотрим конструктивные особенности этого типа электрических двигателей.

Конструкция

В каждом электромоторе есть две важных рабочих детали: ротор и статор. Они заключены в защитный кожух. Для охлаждения проводников обмотки на валу ротора установлен вентилятор. Это общий принцип строения всех типов электродвигателей.

Конструкции статоров рассматриваемых электродвигателей ничем не отличаются от строения этих деталей в других типах электромоторов, работающих в сетях переменного тока. Сердечники статора, предназначенного для работы при трехфазном напряжении, располагаются по кругу под углом 120º. На них устанавливаются обмотки из изолированной медной проволоки определённого сечения, которые соединяются треугольником или звездой. Конструкция магнитопровода статора жёстко крепится на стенках цилиндрического корпуса.

Строение электродвигателя понятно из рисунка 1. Обратите внимание на конструкцию обмоток без сердечника в короткозамкнутом роторе.

Рис. 1. Строение асинхронного двигателя с КЗ Ротором

Немного по-другому устроен ротор. Конструкция его обмотки очень похожа на беличью клетку. Она состоит из алюминиевых стержней, концы которых замыкают короткозамыкающие кольца. В двигателях большой мощности в качестве короткозамкнутых обмоток ротора можно увидеть применение медных стержней. У этого металла низкое удельное сопротивление, но он дороже алюминия. К тому же медь быстрее плавится, а это не желательно, так как вихревые токи могут сильно нагревать сердечник.

Конструктивно стержни расположены поверх сердечников ротора, которые состоят из трансформаторной стали. При изготовлении роторов сердечники монтируют на валу, а проводники обмотки впрессовывают (заливают) в пазы магнитопровода. При этом нет необходимости в изоляции пазов сердечника. На рисунке 2 показано фото ротора с КЗ обмотками.

Рис. 2. Ротор асинхронного двигателя с КЗ обмотками

Пластины магнитопроводов таких роторов не требуют лаковой изоляции поверхностей. Они очень просты в изготовлении, что удешевляет себестоимость асинхронных электродвигателей, доля которых составляет до 90% от общего числа электромоторов.

Ротор асинхронно вращается внутри статора. Между этими деталями устанавливаются минимальные расстояния в виде воздушных зазоров. Оптимальный зазор находится в пределах от 0,5 мм до 2 мм.

В зависимости от количества используемых фаз асинхронные электродвигатели можно разделить на три типа:

Они отличаются количеством и расположением обмоток статора. Модели с трехфазными обмотками отличаются высокой стабильностью работы при номинальной нагрузке. У них лучшие пусковые характеристики. Зачастую такие электродвигатели используют простую схему пуска.

Двухфазные двигатели имеют две перпендикулярно расположенных обмотки статора, на каждую из которых поступает переменный ток. Их часто используют в однофазных сетях – одну обмотку подключают напрямую к фазе, а для питания второй применяют фазосдвигающий конденсатор. Без этой детали вращение вала асинхронного электродвигателя самостоятельно не начнётся. В связи с тем, что конденсатор является неотъемлемой частью двухфазного электромотора, такие двигатели ещё называют конденсаторными.

В конструкции однофазного электродвигателя используют только одну рабочую обмотку. Для запуска вращения ротора применяют пусковую катушку индуктивности, которую через конденсатор кратковременно подключают к сети, либо замыкают накоротко. Эти маломощные моторчики используются в качестве электрических приводов некоторых бытовых приборов.

Принцип работы

Функционирование асинхронного двигателя осуществляется на основе свойства трёхфазного тока, способного создавать в обмотках статора вращающее магнитное поле. В рассматриваемых электродвигателях синхронная частота вращения электромагнитного поля связана прямо пропорциональной зависимостью с собственной частотой переменного тока.

Существует обратно пропорциональная зависимость частоты вращения от количества пар полюсов в обмотках статора. Учитывая то, что сдвиг фаз составляет 60º, зависимость частоты вращения ротора (в об/мин.) можно выразить формулой:

В результате действия магнитной индукции на сердечник ротора, в нём возникнет ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает появление электрического тока в замкнутом проводнике. Возникнет сила Ампера, под действием которой замкнутый контур начнёт вращение вдогонку за магнитным полем. В номинальном режиме работы частота вращения ротора немного отстаёт от скорости вращения создаваемого в статоре магнитного поля. При совпадении частот происходит прекращение магнитного потока, ток исчезает в обмотках ротора, вследствие чего прекращается действие силы. Как только скорость вращения вала отстанет, переменными токами магнитных полей, возобновляется действие амперовой силы.

Разницу частот вращения магнитных полей называют частотой скольжения: n_s=n₁–n₂, а относительную величину s, характеризующую отставание, называют скольжением.

s = 100% * ( n_s / n₁) = 100% * (n₁ — n₂) / n_{1 ,} где n_s – частота скольжения; n_1, n₂ – частоты вращений статорных и роторных магнитных полей соответственно.

С целью уменьшения гармоник ЭДС и сглаживания пульсаций момента силы, стержни короткозамкнутых витков немного скашивают. Взгляните ещё раз на рис. 2 и обратите внимание на расположение стержней, выполняющих роль обмоток ротора, относительно оси вращения.

Скольжение зависит от того, какую механическую нагрузку приложено к валу двигателя. В асинхронных электромоторах изменение параметров скольжения происходит в диапазоне от 0 до 1. Причём в режиме холостого хода набравший обороты ротор почти не испытывает активного сопротивления. S приближается к нулю.

Увеличение нагрузки способствует увеличению скольжения, которое может достигнуть единицы, в момент остановки двигателя из-за перегрузки. Такое состояние равносильно режиму короткого замыкания и может вывести устройство из строя.

Относительная величина отставания соответствующая номинальной нагрузке электрической машины называется номинальным скольжением. Для маломощных электромоторов и двигателей средней мощности этот показатель изменяется в небольших пределах – от 8% до 2%. При неподвижности ротора электродвигателя скольжение стремится к 0, а при работе на холостом ходу оно приближается к 100%.

Во время запуска электромотора его обмотки испытывают нагрузку, что приводит к резкому увеличению пусковых токов. При достижении номинальных мощностей электрические двигатели с короткозамкнутыми витками самостоятельно восстанавливают номинальную частоту ротора.

Обратите внимание на кривую крутящего момента скольжения, изображённую на рис. 3.

Рис. 3. Кривая крутящего момента скольжения

При увеличении крутящего момента коэффициент s изменяется от 1 до 0 (см. отрезок «моторная область»). Возрастает также скорость вращения вала. Если скорость вращения вала превысит номинальную частоту, то крутящий момент станет отрицательным, а двигатель перейдёт в режим генерации (отрезок «генерирующая область»). В таком режиме ротор будет испытывать магнитное сопротивление, что приведёт к торможению мотора. Колебательный процесс будет повторяться, пока не стабилизируется крутящий момент, а скольжение не приблизится к номинальному значению.

Преимущества и недостатки

Повсеместное использование асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• стабильностью работы на оптимальных нагрузках;
• высокой надёжностью в эксплуатации;
• низкие эксплуатационные затраты;
• долговечностью функционирования без обслуживания;
• сравнительно высокими показателями КПД;
• невысокой стоимостью, по сравнению с моделями на основе фазных роторов и с другими типами электромоторов.

Из недостатков можно отметить:

• высокие пусковые токи;
• чувствительность к перепадам напряжений;
• низкие коэффициенты скольжений;
• необходимость в применении устройств, таких как преобразователи частоты, пусковые реостаты и др., для улучшения характеристик электромотора;
• ЭД с короткозамкнутым ротором нуждаются в дополнительных коммутационных управляющих устройствах, в случаях, когда возникает необходимость регулировать скорость.

Электродвигатели данного типа имеют приличную механическую характеристику. Несмотря на недостатки, они лидируют по показателям их применения.

Основные технические характеристики

В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики меняются. В рамках данной статьи не ставится задача приведения параметров всех существующих классов двигателей. Мы остановимся на описании основных технических характеристик для электромоторов классов 56 А2 – 80 В2.

В этом небольшом промежутке на линейке моделей эелектромоторов с короткозамкнутыми роторами можно отметить следующее:

Мощность составляет от 0,18 кВт (класс 56 А2) до 2,2 кВт (класс 80 В2).

Ток при максимальном напряжении – от 0,55 А до 5А.

КПД от 66% до 83%.

Частота вращения вала для всех моделей из указанного промежутка составляет 3000 об./мин.

Технические характеристики конкретного двигателя указаны в его паспорте.

Подключение

Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.

Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.

Схемы включения понятны из рисунка 4.

Рис. 4. Схемы подключения

Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.

Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть

С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.

Как подключить трехфазный двигатель к сети 220 или 380 В?

Среди электрических машин, предназначенных для совершения механической работы, одними из наиболее продуктивных считаются трехфазные агрегаты. Вращение ротора осуществляется посредством одновременного воздействия магнитного потока от фазных обмоток. Что и обеспечивает одновременное усилие сразу трех моментов, пропорционально взаимодействующих друг с другом. Как можно выполнить подключение трехфазного двигателя в зависимости от их конструктивных особенностей и параметров электрической сети мы рассмотрим далее.

Общая информация

Подключение трехфазных двигателей подразумевает относительно сложную операцию, которая требует понимания процессов, протекающих в электроустановке. Для чего необходимо рассмотреть как составляющие элементы, так и их назначение.

Конструктивно трехфазные электродвигатели состоят из:

• Статора с магнитопроводом;
• Ротора с валом;
• Обмоток.

В зависимости от типа двигателя встречаются модели с короткозамкнутым или фазным ротором. В одних ротор вращается только за счет электромагнитного поля, наводимого от обмоток статора, в других, вращение вала получает усилие от поля ротора при протекании тока в его обмотках. Для включения трехфазных двигателей необходимо разобраться с тем, как фазы обмоток соединяются между собой.

Схемы подключения обмоток двигателя

В трехфазных асинхронных электродвигателях применяется два варианта соединения – в звезду и треугольник. В трехфазных асинхронных электрических машинах, в зависимости от модели, можно реализовать схему:

• Звезда;
• Треугольник;
• Звезда и треугольник.

Простейший способ определения возможностей конкретного асинхронного электромотора – посмотреть на шильд (металлическая пластина с техническими параметрами). На них обозначается в том числе и номинал рабочего напряжения для соответствующего соединения. Здесь может указываться обозначение только для звезды, только для треугольника или и тот и другой вариант одновременно, пример такой маркировки приведен на рисунке ниже:

Пример обозначения на шильде

Если шильд отсутствует или информация на нем стерлась, то схему подключения можно узнать, открыв блок распределения начал обмотки (БРНО). Если вы увидите 6 выводов, имеющих клеммные соединения, можно определить тип включения обмоток. Гораздо хуже, когда борно имеет только три вывода, а подключение производится внутри корпуса. В этом случае нужно разобрать трехфазный электромотор, чтобы увидеть способ соединения.

Звезда

Схема подключения трехфазного двигателя звездой предусматривает, что начало каждой обмотки объединяется в одну точку, а к их концам подключаются фазы от питающей линии. Такой тип обеспечивает значительно более плавный пуск и относительно щадящий режим работы. Однако мощность, с которой вращается ротор, в полтора раза ниже, чем при подключении треугольником. Схематически данное подключение выглядит следующим образом:

Схема подключения звезда

Как видите на рисунке, концы выводов обмоток трехфазного двигателя A2, B2, C2 соединены в один электрический узел. А к клеммам A1, B1, C1 – подключаются фазные провода, как правило, на 220 или 380 вольт.

Если рассматривать данную схему на примере борна, выглядеть оно будет так:

Соединение обмоток звездой

Треугольник

Чтобы подключить электродвигатель треугольником вам необходимо подвести конец одной обмотки к началу другой. И таким образом замкнуть обмотки в своеобразное кольцо, в точки соединения которых и подключаются выводы питающей линии. Схема соединения треугольником обеспечивает максимальный момент и усилие на валу, что особенно актуально для больших нагрузок. Однако и ток в обмотках при номинальной нагрузке также пропорционально повысится, не уже говоря о режимах перегрузки.

Поэтому включение трехфазного двигателя треугольником и требует понижения напряжения. К примеру, если одну и ту же электрическую машину можно подключить с соединением обмоток и треугольником, и звездой, то звезда будет иметь напряжение питания 380, а треугольник 220 вольт или 220 и 127 вольт соответственно. Схематически подключение обмоток треугольником будет выглядеть так:

Схема подключения треугольник

Как видите, соединение производится от A2 к B1, от B2 к C1, от C2 к A1, в некоторых моделях электрических машин маркировка выводов может отличаться, но на крышке борна будет отображаться их принадлежность к той или иной обмотке и возможные варианты соединения между собой.

Соединение обмоток треугольником

Варианты подключения

Трехфазные двигатели имеют отличные характеристики, довольно широкий модельный ряд и применяются в самых разнообразных устройствах. Поэтому их применяют как в промышленных устройствах с трехфазным питанием, так и в бытовых однофазных электроустановках. Далее разберем оба варианта подключения электрических машин.

В однофазную сеть

Конструктивная особенность трехфазного агрегата, в отличии от однофазных асинхронных двигателей, состоит в необходимости сдвига фаз в обмотках, иначе вращения вала не будет происходить. Чтобы изменить ситуацию одну фазу разделяют для всех трех обмоток, в две из которых включаются дополнительная индуктивность и пусковая емкость. Которые и обеспечивают сдвиг тока и напряжения относительно напряжения в сети. Индуктивность позволяет осуществить сдвиг напряжения в отрицательную область до -90°, а вот однофазный конденсатор, наоборот, в положительную до +90°.

Графически функция отставания напряжения от тока будет выглядеть следующим образом:

Изменение тока и напряжения на емкости и индуктивности

Однако на практике смещение обеспечивается только емкостными элементами, которые включаются в цепь электроснабжения одной из обмоток, а две другие запускаются между фазным и нулевым проводом. Схема подключения трехфазного двигателя в однофазной цепи приведена на рисунке ниже:

Схема включения в однофазную сеть

Как видите на рисунке, от фазного провода делается отпайка, содержащая конденсаторный однофазный магазин из двух элементов, один для пуска C2, второй для постоянной работы C1. При нажатии кнопки пуска происходит одновременное замыкание контактов SA1 и SA2, но после создания достаточного момента и начала вращения SA1 отбрасывается и выводит C1 из цепи, оставляя C2. Мощность, при такой схеме включения двигателя, снижается до 30 – 50%.

Расчет конденсаторного пуска производится по формуле:

С_раб = (2800*I)/U — для включения трехфазного двигателя звездой

C_раб = (4800*I)/U — для включения трехфазного двигателя треугольником

Пусковой конденсатор используется только в нагруженном пуске, поэтому в легком запуске его можно не применять. Тогда вместо емкости пускового будет задействоваться рабочий.

В трёхфазную сеть

В трехфазной сети, несмотря на наличие необходимого типа питающего напряжения, всегда используется магнитный пускатель для приведения двигателя во вращение. Производить запуск без пускателя или контактора довольно опасно, поэтому они являются неотъемлемым элементом.

Схема включения в трехфазную сеть

На рисунке выше приведена обычная схема подключения двигателя к трехфазной сети, которая работает по такому принципу:

• подача напряжения на двигатель от сети производится через рубильник 1.
• далее, при включении кнопки пуска 6 осуществляется питание катушки контактора 4, которая притягивает силовые контакты пускателя 3;
• после чего двигатель начинает вращение, а пусковая кнопка 6 шунтируется через повторитель 5;
• для остановки трехфазного двигателя используется кнопка Стоп – 7, находящаяся в нормально замкнутом положении;
• защита двигателя от перегрузки контролирует токовую нагрузку в сети и при возникновении угрозы размыкает контакты 2.

Данная схема может упрощаться в связи с конструктивными особенностями применяемых пускателей. Так как некоторые из них изготавливаются без повторителей, могут иметь функцию реверсирования трехфазного двигателя или выпускаться без защиты. Более детальную информацию о магнитных пускателях вы можете почерпнуть из соответствующей статьи на сайте: https://www.asutpp.ru/elektromagnitnyj-puskatel.html

Видео по теме