что значит короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
Как вы знаете, асинхронные электродвигатели имеют трехфазную обмотку (три отдельные обмотки) статора, которая может формировать разное количество пар магнитных полюсов в зависимости от своей конструкции, что влияет в свою очередь на номинальные обороты двигателя при номинальной частоте питающего трехфазного напряжения. При этом роторы двигателей данного типа могут отличаться, и у асинхронных двигателей они бывают короткозамкнутыми или фазными. Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного ротора — об этом и пойдет речь в данной статье.
Короткозамкнутый ротор
Представления о явлении электромагнитной индукции подскажут нам, что произойдет с замкнутым витком проводника, помещенным во вращающееся магнитное поле, подобное магнитному полю статора асинхронного двигателя. Если поместить такой виток внутри статора, то когда ток на обмотку статора будет подан, в витке будет индуцироваться ЭДС, и появится ток, то есть картина примет вид: виток с током в магнитном поле. Тогда на такой виток (замкнутый контур) станет действовать пара сил Ампера, и виток начнет поворачиваться вслед за движением магнитного потока.
Так и работает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, только вместо витка на его роторе расположены медные или алюминиевые стержни, замкнутые накоротко между собой кольцами с торцов сердечника ротора. Ротор с такими короткозамкнутыми стержнями и называют короткозамкнутым или ротором типа «беличья клетка» поскольку расположенные на роторе стержни напоминают беличье колесо.
Проходящий по обмоткам статора переменный ток, порождающий вращающееся магнитное поле, наводит ток в замкнутых контурах «беличьей клетки», и весь ротор приходит во вращение, поскольку в каждый момент времени разные пары стержней ротора будут иметь различные индуцируемые токи: какие-то стержни — большие токи, какие-то — меньшие, в зависимости от положения тех или иных стержней относительно поля. И моменты никогда не будут уравновешивать ротор, поэтому он и будет вращаться, пока по обмоткам статора течет переменный ток.
К тому же стержни «беличьей клетки» немного наклонены по отношению к оси вращения — они не параллельны валу. Наклон сделан для того, чтобы момент вращения сохранялся постоянным и не пульсировал, кроме того наклон стержней позволяет снизить действие высших гармоник индуцируемых в стержнях ЭДС. Будь стержни без наклона — магнитное поле в роторе пульсировало бы.
Скольжение s
Для асинхронных двигателей всегда характерно скольжение s, возникающее из-за того, что синхронная частота вращающегося магнитного поля n1 статора выше реальной частоты вращения ротора n2.
Скольжение возникает потому, что индуцируемая в стержнях ЭДС может иметь место только при движении стержней относительно магнитного поля, то есть ротор всегда вынужден хоть немного, но отставать по скорости от магнитного поля статора. Величина скольжения равна s = (n1-n2)/n1.
Если бы ротор вращался с синхронной частотой магнитного поля статора, то в стержнях ротора не индуцировался бы ток, и ротор бы просто не стал вращаться. Поэтому ротор в асинхронном двигателе никогда не достигает синхронной частоты вращения магнитного поля статора, и всегда хоть чуть-чуть (даже если нагрузка на валу критически мала), но отстает по частоте вращения от частоты синхронной.
Скольжение s измеряется в процентах, и на холостом ходу практически приближается к 0, когда момент противодействия со стороны ротора почти отсутствует. При коротком замыкании (ротор застопорен) скольжение равно 1.
Вообще скольжение у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором зависит от нагрузки и измеряется в процентах. Номинальное скольжение — это скольжение при номинальной механической нагрузке на валу в условиях, когда напряжение питания соответствует номиналу двигателя.
Другие статьи про асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором на Электрик Инфо:
Фазный ротор
Асинхронные двигатели с фазным ротором, в отличие от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, имеют на роторе полноценную трехфазную обмотку. Подобно тому, как на статоре уложена трехфазная обмотка, так же и в пазах фазного ротора уложена трехфазная обмотка.
Выводы обмотки фазного ротора присоединены к контактным кольцам, насаженным на вал, и изолированным друг от друга и от вала. Обмотка фазного ротора состоит из трех частей — каждая на свою фазу — которые чаще всего соединены по схеме «звезда».
К обмотке ротора через контактные кольца и щетки присоединяется регулировочный реостат. Краны и лифты, например, пускаются под нагрузкой, и здесь необходимо развивать существенный рабочий момент. Невзирая на усложненность конструкции, асинхронные двигатели с фазным ротором обладают лучшими регулировочными возможностями касательно рабочего момента на валу, чем асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которым требуется промышленный частотный преобразователь.
Обмотка статора асинхронного двигателя с фазным ротором выполняется аналогично тому, как и на статорах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, и аналогичным путем создает, в зависимости от количества катушек (три, шесть, девять или более катушек), два, четыре и т. д. полюсов. Катушки статора сдвинуты между собой на 120, 60, 40 и т. д. градусов. При этом на фазном роторе делается столько же полюсов, сколько и на статоре.
Регулируя ток в обмотках ротора, регулируют рабочий момент двигателя и величину скольжения. Когда регулировочный реостат полностью выведен, то для уменьшения износа щеток и колец их закорачивают при помощи специального приспособления для подъема щеток.
Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей
Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.
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.
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».
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
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 |
Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.
Режимы работы
Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:
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 тоже соответствуют этому принципу и 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.
Устройство и использование двигателей асинхронного короткозамкнутого типа
В статье рассмотрим, почему наиболее популярен именно асинхронный двигатель в исполнении с короткозамкнутым ротором. Изучим положительные и отрицательные качества конструкции. Также расскажем о распространенных поломках и способах их выявления.
Современное электроснабжение осуществляется посредством сетей переменного тока. Оборудование и электроприборы производятся в соответствующем исполнении. К ним можно отнести и асинхронные трехфазные двигатели. Есть несколько разновидностей таких моторов, однако наиболее широко применяется вариация с короткозамкнутым ротором (обычая или реверсивная), о которой и пойдет речь в данной статье. Причина такой популярности в простоте конструкции и малой себестоимости производства.
Конструктивные особенности
Основными элементами электродвигателя любого назначения являются статор и ротор. Для защиты от контактов с окружающими объектами система с обмотками закрывается в прочный кожух. Предотвратить перегрев обмоток позволяет дополнение в виде установленного на роторном валу охлаждающего вентилятора.
Роторная часть имеет внешний вид, похожий на небольшую цилиндрическую клетку. Парные кольца исполняют роль короткозамыкающего элемента для стержней, изготовленных из алюминия. Если рассматривать конструкцию высокой мощности, для нее стержневые части конструкции могут изготавливаться из меди. Причиной использования данного материала служит его низкое сопротивление. Однако есть и минусы – медь для обмотки стоит дороже алюминия и быстрее плавится при нагреве сердечника вихревыми токами.
Расположение стержней при сборке выполняется поверх сердечников из специальной трансформаторной стали. Монтаж производят на валу агрегата, провод обмотки впрессовывается в специальные пазы магнитопровода. Простота изготовления повышается тем, что в таком исполнении для магнитопроводных пластин не требуется изоляция. Это – один из главных факторов, сделавших асинхронный агрегат короткозамкнутого типа самым популярным (его доля в общей массе электромоторов достигает 90%).
Разновидности по количеству фаз
В зависимости от исполнения и способа подключения конструкции для короткозамкнутого вида делят на 3 типа, каждый из которых имеет свои особенности:
Количество и расположение обмоток выбирают в зависимости от типа сети и уровня нагрузок, которые придутся на мотор.
Различия между короткозамкнутым и фазным ротором
Система такого мотора построена на основе трех обмоток статора, формирующих разное количество магнитных полюсов (в зависимости от конструкции, выбранной в процессе проектирования). Объем полюсов на обмотках оказывает влияние на номинальный режим работы. Роторная система же может быть выполнена в 2 вариантах – короткозамкнутом и фазном.
Короткозамкнутый ротор
При помещении в движущееся магнитное поле статора, замкнутый виток проводника начнет индуцировать ЭДС, вследствие чего будет вырабатываться ток. Из-за этого замкнутый контур начинает подвергаться воздействию сил Ампера, поворачиваясь в том же направлении, что и у магнитных полей статора.
В этом заключается основной принцип работы короткозамкнутого электродвигателя. Вместо замкнутого контура в конструкции применяется набор стержней из меди или алюминия, замкнутых накоротко кольцами. Переменное напряжение при прохождении по статорным обмоткам создает вращающееся магнитное поле. На замкнутых контурах роторной конструкции появляется ток, и вся система приходит в движение. Вращение происходит за счет разной величины индуцируемого тока на парах стержней, что постоянно меняется в зависимости от расположения парных элементов относительно магнитного поля.
Для устранения пульсации и сохранения постоянности крутящего момента стержни «беличьей клетки» располагаются не параллельно валу. Небольшой наклон также снижает действие высших гармоник при работе электродвигателя.
Фазный ротор
Асинхронные модели с фазным ротором конструктивно имеют полноценную обмотку. В роторной конструкции предусмотрены специальные пазы, в которых укладываются провода. Выводы от обмотки подключены к контактным кольцам, которые расположены на валу. При этом поверхности данных элементов изолированы друг от друга и от вала. Конструкция обмотки составлена 3 частями, каждая из которых отвечает за отдельную фазу. Наиболее распространенным способом подключения является звезда. Фазные системы более сложны, чем короткозамкнутые и имеют большую себестоимость. Однако они предоставляют больше возможностей по регулировке рабочего момента на валу.
Скольжение S
Параметр скольжения есть во всех асинхронных силовых агрегатах. Возникает данное явление из-за разницы в частоте вращения магнитного поля статора и ротора. Индуцируемая в стержнях ЭДС может появляться только при их движении относительно магнитного поля. Ротор при этом немного отстает.
Если скорости вращения одинаковы, в стержнях клетки не индуцируется ток, что делает невозможным дальнейшее движение. Поэтому в любом исполнении и рабочей нагрузке ротор движется с немного меньшей скоростью, чем магнитное поле.
Измерение скольжения производится в процентах. На холостом ходу данный показатель стремится к 0. При застопоренном роторе (КЗ) параметр равен 1. В асинхронной системе с короткозамкнутым ротором параметр скольжения зависит от нагрузки.
Пусковой ток
Прямой пуск мотора характеризуется значительно большим уровнем тока, чем при его стабильной работе. Пусковой показатель может превышать номинал в 5-8 раз. При этом номинальный ток всегда указывается производителем на шильдике двигателя, тогда как пусковой описан только в технической документации. В характеристиках этот параметр указан как отношение пускового тока к номинальному.
Как вычислить пусковое напряжение?
Есть несколько способов произвести расчет пускового тока для асинхронного двигателя. Эти варианты пригодятся в том случае, если величина соотношения не указана в технической документации или сопровождающие бумаги были утеряны:
Важно помнить, что, в силу определенных факторов, заявленный производителем пусковой ток будет иметь большую кратность, чем его реальное значение.
Как уменьшить напряжение при пуске асинхронного мотора
Большое пусковое усилие часто становится проблемой, вызывая перегрузки питающей сети, перегрев, ускоренный износ двигателя. Поэтому необходимо иметь возможность понизить его величину для сохранения работоспособности и долговечности систем. Есть несколько способов:
Есть также варианты запуска и раскручивания асинхронного реверсивного двигателя вхолостую. Нагрузка подключается только после достижения достаточных оборотов. В таком исполнении могут применяться вариаторы, муфты, коробки передач. При необходимости реализовать быструю остановку, можно использовать динамическое торможение, для чего на обмотки статора подается постоянное напряжение.
Преимущества и недостатки короткозамкнутой разновидности
Высокая популярность и широкое распространение таких конструкций электродвигателя обусловлено его преимуществами:
При правильной эксплуатации такой агрегат прослужит долгое время, не требуя частого обслуживания.
Однако есть у системы и свои недостатки:
Несмотря на свои недостатки, агрегаты асинхронного типа с короткозамкнутым ротором являются наиболее практичными и популярными в производстве и быту.
Возможные неисправности
Несмотря на простоту и надежность асинхронного двигателя, при неправильной эксплуатации и неблагоприятных внешних условиях они могут потерять рабочие характеристики или выйти из строя. Любые неисправности мелкого или серьезного характера можно разделить на 2 группы – электрические и механические.
Механические поломки
Эти повреждения часто заметны при внешнем осмотре или на слух в процессе работы электродвигателя:
Также частой проблемой является износ подшипников. Для своевременного выявления поломки необходимо проявлять внимание к внешним признакам. Изношенные элементы способствуют появлению вибраций, перегреву агрегата. Также определить неисправность можно акустическим способом – по повышению уровня шума при включении питания.
Электрические неполадки
Среди поломок электрического происхождения чаще всего проявляются:
Для выявления таких проблем понадобится произвести замеры с помощью мультиметра и мегаомметра.
Проводя исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутого исполнения измерительными приборами, можно проверить целостность обмоток, наличие всех фаз, уровень поступающего в него напряжения.
С помощью мегаомметра производится замер уровня сопротивления изоляции обмоток. Данный прибор выполняет измерение в условиях подачи повышенного напряжения. При снижении показателя ниже нормы (оно должно быть не ниже 0,5 МОм) необходимо принимать меры. Если он не равен нулю, можно поставить агрегат на просушку. Для этого вместо роторной части внутрь корпуса вставляют мощную лампу накаливания. Если после просушки обмоток показатель сопротивления не повысился, поломка определяется как короткое замыкание. Выявить его точное место можно при помощи омметра, по очереди, замерив сопротивление всех обмоток. Различия между показаниями для обмоток должны быть минимальными, допустимая разница – не больше 2%.
Также есть простой «народный» способ определения межвиткового замыкания. Для него понадобится металлический шарик небольших размеров и низкое напряжение. После извлечения ротора из корпуса, на обмотки подается не больше 40В. После этого внутрь забрасывают шарик, который начинает под действием магнитных полей вращаться внутри стартера. При непрерывном движении вывод – обмотки целы. Если же шарик прилип к одной точке, именно в этом месте и произошло межвитковое замыкание, необходим ремонт обмоток.
При правильном использовании и постоянном контроле исправности, не придется часто проводить исследование асинхронного агрегата с короткозамкнутого типа на предмет повреждений и выполнять ремонт. Конструкция отличается высокой надежностью и способна долгое время работать без существенного технического обслуживания. Это, в свою очередь, снижает общие эксплуатационные затраты. С учетом низкой общей себестоимости (относительно других вариаций), оно делает электродвигатели с ротором короткозамкнутого типа наиболее практичными и простыми для использования.