Устройство трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором

Основная классификация асинхронных двигателей осуществляется в зависимости от особенностей их пусковых свойств, которые определяются нюансами конструкции.

Если рассматривать устройство с фазным ротором, то пуск происходит следующим образом:

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.

Технические характеристики

Основные требования, которые обеспечивают качественное функционирование асинхронных агрегатов с фазным ротором, определены и указаны в соответствующих ГОСТах.

Именно они определяют главные технические характеристики и к таким параметрам относятся:

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

Для работы с асинхронными двигателями и полного понимания принципов функционирования подобных машин, необходимо ознакомиться с особенностями их устройства:

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

После освоения устройства асинхронного двигателя с фазным ротором и особенностей его запуска, можно переходить к изучению принципа работы, который заключается в следующем:

1. На статор, обладающий тройной обмоткой, начинает подаваться 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. В определенный момент времени 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. Через определенное время 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

Востребованность асинхронных двигателей подобного типа на сегодняшний день обуславливается следующими значимыми преимуществами, которыми они обладают:

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.

Однако, при таком большом количестве положительных сторон, асинхронные двигатели с фазным ротором обладают и некоторыми недостатками, основными из них являются следующие особенности подобных машин:

1. Слишком 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

На сегодняшний день, большая часть двигателей, выпускаемых в промышленных масштабах, относится к асинхронной разновидности.

Благодаря ряду преимуществ, которыми обладают машины с фазными роторами, они широко используются в разных сферах человеческой деятельности, в том числе для поддержания работы:

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

Недостатком асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором является большой пусковой ток, который превыша­ет номинальный ток в 5-7 раз.

Желая улучшить пусковые характеристики асинхронно­го двигателя, М. О. Доливо-Добровольский разработал двига­тель с фазным ротором.

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет обыч­ный для асинхронных двигателей статор с трехфазной сете­вой обмоткой, но на поверхности ротора также находится трехфазная обмотка. Три фазные обмотки ротора соединя­ются на самом роторе звездой, а свободные их концы соеди­няются с тремя изолированными друг от друга контактными кольцами, укрепленными на валу машины и изолированны­ми от него (рис. 8.6). Поэтому асинхронный двигатель с фаз­ным ротором называют также асинхронным двигателем с контактными кольцами.

Контактные кольца соприкасаются со щетками, установ­ленными в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора замыкается на пусковой трехфазный реостат, который изменяет активное сопротивление обмотки ротора в момент пуска. Обмотка статора такого двигателя включается непосредственно в трехфазную сеть (рис. 8.7).

Эта система используется либо для пуска (для уменьше­ния пускового тока при одновременном сохранении враща­ющего момента), либо для регулирования скорости враще­ния ротора двигателя. После разгона ротора пусковой рео­стат выключается, и обмотка закорачивается с помощью спе­циального центробежного автоматического замыкателя. Для уменьшения потерь на трение в некоторых двигателях с фаз­ным ротором имеются приспособления для отвода щеток от контактных колец после их замыкания.

Одним из важнейших достоинств асинхронного двигате­ля с фазным ротором является то, что в момент пуска созда­ется большой вращающий момент при значительно меньших, чем у короткозамкнутых двигателей, пусковых токах. Объяс­няется это тем, что асинхронный двигатель при пуске разви­вает максимальный вращающий момент тогда, когда актив­ное сопротивление ротора будет равно индуктивному сопро­тивлению двигателя. А так как у двигателей с фазным рото­ром активное сопротивление ротора можно изменять с помо­щью пускового реостата, то и пусковые характеристики их значительно лучше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором.

Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором произ­водится следующим образом. Пусковой реостат устанавли­вается на холостую клемму (цепь ротора разомкнута), а на статор подается сетевое напряжение. Затем включается пус­ковой реостат, и его сопротивление постепенно уменьшают и делают равным нулю, когда двигатель приобретет номиналь­ную скорость. Пусковой ток двигателя с фазным ротором превышает номинальный всего в 1,5-2 раза. Кроме того, вклю­чение в цепь ротора пускового реостата значительно увели­чивает вращающий момент.

Сущность процесса регулирования скорости асинхронно­го двигателя с фазным ротором при помощи регулировочно­го реостата сводится к следующему. Ротор двигателя обла­дает определенной инерцией, и поэтому сразу после введения

реостата его скорость и индуцируемая в роторе ЭДС Е₂ в

начальный момент остаются неизменными. Увеличение со­противления пускового реостата в цепи ротора вызывает

уменьшение тока ротора 1₂, что приводит к уменьшению вра­щающего момента (см. формулу (8.3)). Вследствие этого ско­рость вращения ротора п₂ начнет уменьшаться. Уменыпе­ние скорости п₂ аналогично увеличению скольжениям, вслед­ствие чего индуцируемая в роторе ЭДС Е₂, пропорциональ­ная s, также начнет расти, вызывая увеличение тока ротора I₂. Рост тока I₂ и уменьшение скорости вращения ротора п₂

будет продолжаться до тех пор, пока ток I₂ не достигнет сво­его прежнего значения. В этом случае вращающий момент снова станет равным статическому, и двигатель начнет вра­щаться с постоянной скоростью, величина которой будет уже несколько меньше, чем до введения реостата. Регулировка скорости асинхронного двигателя с фазным ротором может осуществляться только в сторону уменьшения оборотов.

Широкое распространение асинхронного электродвигателя (АД) вызвано его надежностью и простотой конструкции. Статор такого двигателя стандартный, представляет собой изготовленный из пластин электростатической стали полый цилиндр с трехфазной обмоткой. Ротор же может быть короткозамкнутым и фазным. Последний вариант получил более широкое распространение по ряду причин, хотя его конструкция намного сложнее, чем у короткозамкнутого ротора.

Конструкция фазного ротора

Фазный ротор АД конструктивно напоминает его статор. Основа ротора набирается из пластин электростатической стали, которые насаживаются на вал. Конструкция имеет продольные пазы, в которые укладываются витки катушек фазной обмотки. Количество фаз ротора строго соответствует количеству фаз статора. Для подключения обмотки ротора к цепи, на валу последнего устанавливаются 3 контактных кольца, к которым подведены концы обмотки, находящиеся в соприкосновении с токопроводящими щетками. В свою очередь щетки имеют выходы в коробку корпуса, что позволят подключать внешнее дополнительное сопротивление.

В зависимости от напряжения сети, фазы обмотки соединяются “треугольником” или “звездой”. Оси катушек двухполюсного электродвигателя смещены на 120 градусов относительно друг друга.

Контактные кольца изготавливаются из латуни или стали. На вал они посажены с обязательной изоляцией между собой. Щетки расположены на щеткодержатле, изготовлены из металлографита, к кольцам прижимаются посредством пружин.

Зачем нужно добавочное сопротивление?

Добавочное сопротивление служит для запуска двигателя с нагрузкой на его валу. Как только достигаются номинальные обороты вала, сопротивление отключается за ненадобность, а кольца закорачиваются. В противном случае работа электродвигателя будет нестабильной, возникнут потери КПД.

Роль добавочного внешнего сопротивления, как правило, выполняет ступенчатый реостат. В этом случае двигатель будет разгонятся тоже ступенчато. Часто используются устройства, способные поднять КПД двигателя, при этом избавляя щетки от излишнего трения о кольца. После разгона устройство поднимает щетки и замыкает кольца.

Для реализации автоматического пуска электродвигателя используется подключенная индуктивность к обмотке ротора. Дело в том, что в тот момент, когда осуществляется пуск, в роторе показатели индуктивности и частоты тока максимальны. При разгоне двигателя эти показатели падают, а в конечном итоге двигатель выходит на нормальный рабочий режим.

Отличие короткозамкнутого ротора от фазного

В короткозамкнутом роторе электродвигателя, в отличие от фазного варианта, нет обмоток. Их заменяют замкнутые с торцов между собой кольцами стержни, изготовленные из алюминия или меди. Визуально конструкция такого ротора напоминает беличье колесо, от чего он и получил свое название — “беличья клетка”.

Короткозамкнутый ротор приводится во вращение за счет наведения тока магнитным полем статора. Чтобы исключить пульсирование магнитного поля в роторе, стержни “беличьей клетки” располагаются параллельно между собой, но под наклоном относительно оси вращения. АД с короткозамкнутым ротором обладают высокой надежностью за счет отсутствия щеток, которые со временем перетираются. Кроме того, их стоимость меньше, чем у вариантов с фазным ротором.

Преимущества и недостатки электродвигателя с фазным ротором

Широкое распространение АД с фазным ротором получил за счет ряда серьезных преимуществ перед другими машинами подобного рода. Среди них следует отметить большой вращающий момент при запуске, а также относительно постоянную скорость вращения даже при высоких нагрузках. Такие электродвигатели для запуска требуют меньший пусковой ток, а конструкция позволяет использовать автоматические пусковые устройства. Кроме того, эти электрические машины хорошо переносят продолжительные перегрузки.

Как и любой электрический механизм, электродвигатели с фазным ротором имеют ряд недостатков:

• Чувствительность к перепадам напряжения;
• Большие габаритные размеры
• Высокая стоимость;;
• Более сложная конструкция за счет цепи ротора с добавочным сопротивлением;
• Меньшие показатели коэффициента мощности и КПД (относительно АД с короткозамкнутым ротором).

Область применения электродвигателей с фазным ротором

Ад с фазным ротором, за счет высокого крутящего момента, низких пусковых токов и способности долговременно работать при повышенных нагрузках, используются там, где необходима большая мощность электродвигателя, но нет необходимости плавно регулировать скорость вращения в широких диапазонах. Кроме того, эти машины отлично приспособлены под пуск с нагрузкой на валу.

За счет высокой производительности, наиболее часто АД с фазным ротором используются на различном серьезном, тяжелом силовом оборудовании, например, подъемных кранах, лифтовых приводах, станках, различных подъемниках. Иными словами, эти двигатели используются там, где есть необходимость запуска под нагрузкой, а не на холостом ходу.

Проверка электродвигателя с фазным ротором

Для проверки обмоток статора трехфазного АД на целостность, необходимо добраться до клемм их подключения. Затем нужно произвести замеры сопротивлений между фазными клеммами по отдельности, предварительно сняв перемычки. Если сопротивление какой-либо обмотки меньше, чем у других, это свидетельствует о замыкании между ее витками. В этом случае двигатель отдается на перемотку.

Для проверки обмоток ротора, необходимо отыскать выводы от контактных колец. Затем нужно убедиться, что сопротивления обмоток совпадают. Если конструкция электродвигателя предусматривает наличие системы отключения обмоток ротора, отсутствие контакта может быть обусловлено именно поломкой данного механизма, а не обрывом витков.

О наличие какой-либо неисправности АД могут свидетельствовать следующие факторы:

• Снижение скорости вращения при нагрузке. Характерно для высокого сопротивления в цепи ротора, слабого контакта в его обмотке, низкого напряжения электросети
• Разворачивание АД, когда цепь ротора разомкнута – КЗ в обмотке ротора
• Чрезмерное равномерное повышение температуры двигателя – длительная перегрузка АД или его недостаточное охлаждение
• Нагрев статорной обмотки местного характера – двойное замыкание катушек статора на корпус или между фазами, КЗ между витками, неверное подключение катушек в фазе между собой
• Нагрев стали статора местного характера – нарушение изоляции между листами стали, их оплавление и выгорание, замыкание
• Посторонний шум при работе АД. Может быть вызван как выходом из строя подшипников, так и недостаточной запрессовкой активной стали. Определяется на слух по характеру постороннего шума
• Перегорание в обмотке якоря предохранителей, отсутствие контакта в подводящей проводке, выход из строя реостата

Для самостоятельной диагностики и исправления неисправностей электродвигателя необходимыми являются хотя-бы минимальные познания в устройстве АД и электрических цепях в целом. Все же крайне не рекомендуется самостоятельно заниматься ремонтом электродвигателя с фазным ротором, так как это может привести к поражению электрическим током.