Асинхронный двигатель с фазным ротором и его характеристика

Современный асинхронный двигатель с фазным ротором – это многофункциональная силовая электроустановка, регулировка работы которой осуществляется с помощью включенных в роторную цепь резисторов.

В отличии от распространённых сейчас короткозамкнутых двигателей, моторы такого типа характеризуются повышенным пусковым моментом и более низкими стартовыми токами.

Также они отличаются стойкостью к механическим перегрузкам без значительного уменьшения КПД.

Особенности запуска, параметры и функциональные возможности электромотора зависят от его типа, свойств и нюансов конструкции.

Асинхронный двигатель с фазным ротором – это распространенная многозадачная силовая электроустановка, поддерживающая возможность регулировки посредством включения в роторную цепь дополнительных сопротивлений.

От классического короткозамкнутого мотора она отличается повышенным пусковым моментом и более низкими стартовыми токами. Для лучшего понимания работы такого агрегата сначала нужно разобраться в особенностях его запуска.

Особенности пуска электромотора с фазным ротором

Во время включения установки фазный ротор асинхронного двигателя начинает медленно и равномерно вращаться. При этом сила сопротивления на ее валу уравновешивается. Чтобы преодолеть тормозной момент и компенсировать внутренние потери, мотор начинает активно потреблять энергоресурсы.

Характеристики стартового пускового момента часто сильно отличаются от рекомендуемого значения, поэтому асинхронный электродвигатель с фазным ротором не может сразу переключится на режим полноценного функционирования.

Данная особенность влечет за собой потерю ускорения и даже может вызвать критический перегрев внутренних частей конструкции.  

Для решения этой проблемы частоту пусков электромотора ограничивают несколькими включениями.

Если асинхронный двигатель с фазным ротором подключается от электросети малой мощности, то возможны потери общего напряжения и негативное воздействие на подсоединенные к той же линии электрические приборы.

Включение в цепь фазного ротора асинхронного силового агрегата пусковых резисторов позволяет снизить токовые показатели, но одновременно повышает пусковой момент на старте вплоть до достижения им максимально допустимого порога.

Возможны следующие варианты запуска:

• легкий;
• нормальный;
• тяжелый.

Здесь важно правильно подобрать резисторы с оптимальными параметрами. Если запуск асинхронного мотора прошел успешно, то далее необходимо обеспечить поддержку стабильного крутящего момента на всем этапе его разгона с целью снижения нагрева и уменьшения длительности переходного периода из спокойного до рабочего состояния.

Это делается за счет уменьшения сопротивления резисторов, переключение между которыми происходит через подсоединенные последовательно контакторы. В таком случае отключать агрегат от электросети можно, только если роторную цепь замкнуть накоротко.

В противном случае велика вероятность возникновения значительного перенапряжения в фазных обмотках статора.

Пусковой процесс поэтапно 

Для лучшего понимания процесса, пуск асинхронного двигателя с фазным ротором можно разделить на несколько ключевых этапов:

• работа асинхронного мотора начинается с постепенного и равномерного раскручивания вала, при котором происходит уравновешивание момента сил сопротивления;
• во время преодоления приложенного к ротору тормозного момента, компенсации потерь и передачи подвижным элементам конструкции кинетической энергии потребление ресурсов источника питания сильно возрастает;
• на данном этапе начальная величина пускового момента и характеристики скольжения напрямую связаны с активным сопротивлением, создаваемым резисторами методом последовательного включения их в роторную цепь;
• сопротивление пусковых резисторов снижает токовые показатели электроустановки, но пропорционально увеличивает до максимального значения пусковой момент;
• для уменьшения пускового момента на старте в обязательном порядке применяется методика увеличения резистивного сопротивления, что также способствует ограничению области скольжения и снижению риска достижения ею недопустимых величин, плохо влияющих на разгон электромотора;
• далее для поддержки полученного при разгоне ротора крутящего момента, сокращения времени старта и защиты агрегата от перегрева необходимо постепенно понижать сопротивление пусковых резисторов;
• разные по своим характеристикам резисторы переключаются с помощью контакторов ускорения, последовательно включенных в схему;
• чтобы обмотка фазного ротора не получила избыточное напряжение, отключать электроустановку от питающей сети можно только при замыкании накоротко роторной электроцепи.

Если при выключении рассматриваемого силового агрегата роторную цепь не замкнуть, то может возникнуть трехкратное, а то и четырехкратное напряжение по сравнению с номиналом.

Важные технические характеристики

Современные асинхронные двигатели с фазным ротором должны отвечать определенным параметрам, гарантирующим их качественную и безотказную работу в тех или иных условиях. Правильно подобранная механическая характеристика асинхронного двигателя с оптимальными электрическими показателями – залог успешной и эффективной работы всей электроустановки.

Среди основных технических характеристик электромотора можно выделить:

• соответствующая техническому регламенту мощность;
• габаритные размеры и конструкция;
• степень защиты от воздействия окружающей среды во время эксплуатации в определенных условиях (например, одни модели специально предназначены для работы в помещениях, а другие могут работать на открытом воздухе или одни агрегаты выдерживают сильный холод, а другие – экстремальную жару);
• толщина и качество изоляционного покрытия (устройство асинхронного двигателя с фазным подключением ротора должно предусматривать устойчивость к повышенным внутренним температурам и сильное нагревание обмоток, для чего здесь используется специальный слой защитной изоляции);
• рабочие режимы в соответствии с установленными нормами;
• система охлаждения, обеспечивающая нормальное функционирование силового агрегата в заданном рабочем режиме;
• уровень создаваемого шума при работе на холостом ходу (желательно не выше второго класса).

Это наиболее важные параметры, на которые необходимо обращать внимание при выборе и эксплуатации электрического двигателя. Но существует и другие характеристики, к примеру, определяющие специфические режимы работы и техническое обслуживание асинхронного электромотора. Как правило, все они подробно описываются в руководстве и технической документации к силовому агрегату или электроприводу.

Конструкционные особенности

Знание особенностей конструкции любого оборудования значительно облегчает покупку и последующую работу с ним, в том числе эксплуатацию и ремонт асинхронного двигателя с фазным ротором.

Прежде всего, следует запомнить, что все электромоторы устроены по схожему принципу – они обязательно имеют неподвижный статор и подвижный ротор, осуществляющий вращательные движения внутри силового агрегата.

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором имеет подключаемые к электросети переменного тока обмотки, напряжение на которых взаимодействует с обмотками ротора. Данная связь объясняется принципами действия магнитного потока.  

Обычная конструкция статора асинхронного двигателя представляет собой корпус электромотора с запрессованным внутрь сердечником. Обмотка сердечника разделена не несколько заключенных в катушки секторов.

От этих обмоток отводятся кабеля с защитной изоляцией, предотвращающей их взаимное замыкание. Ротор устроен из вала и набранного пластинчатого сердечника. Обычно здесь применяются пластины с симметричными пазами стандартного размера, выполненные из высокотехнологичной стали.

Во время работы роторного вала происходит передача крутящего момента приводу электроустановки.

Чертеж асинхронного двигателя с его основными составными частями выглядит так:

Наиболее распространенными считаются роторы двух типов:

1. Короткозамкнутый.
2. Фазный.

Первый вариант в составе своей конструкции имеет стержни из алюминия, проходящие сквозь сердечник и замкнутые торцевыми кольцами. Это так называемое «беличье колесо». Для повышения прочности пазов их также часто обрабатывают алюминиевым составом.

Устройство фазного ротора несколько отличается от короткозамкнутого. Здесь количество установленных под определенным углом катушек напрямую зависит от числа парных полюсов, во многих случаях сопоставимых с парными полюсами, какие есть на статоре.

  

Принцип работы электромотора с фазным ротором

Теперь подробнее рассмотрим принцип действия асинхронного двигателя с ротором фазным и его подключение. Здесь можно выделить очередность из пяти важных этапов:

• первый этап – на имеющий тройную обмотку статор поступает напряжение от трехфазной электросети переменного тока с нужными параметрами;
• второй этап – формируется магнитное поле, приводящее в движение ротор;
• третий этап – ротор постепенно разгоняется, а его скорость оборотов значительно возрастает;
• четвертый этап – когда линии полей статора и ротора достигают определенного значения и пересекаются, возникает электродвижущая сила, воздействующая на обмотку ротора и создающая на ней электрический ток;
• пятый этап – статорные и роторные магнитные поля начинают активно взаимодействовать между собой, поддерживая вращательный момент вала.

Далее управление асинхронным двигателем с ротором фазного типа осуществляется в штатном режиме. Принцип работы асинхронного двигателя с фазным ротором отличается от короткозамкнутого варианта еще и наличием полноценной трехфазной обмотки с аналогичной укладкой на статорной и роторной части. 

Типовая схема управления асинхронным двигателем с фазным ротором выглядит так:

Схема управления асинхронным двигателем с фазным ротором показывает, что роторные обмоточные выводы соединены с контактными кольцами, установленными на вал электромотора.

Эти кольца имеют защитную изоляцию, как между собой, так и в точках соприкосновения с валом. Для каждой из фаз, каких обычно насчитывается три, на роторе предусмотрена своя отдельная обмотка.

Схема пуска этих обмоток чаще всего имеет вид «Звезды».

К роторной обмотке монтируется реостат управления, сопряженный со щетками и контактными кольцами.

Несмотря на кажущуюся сложность такой конструкции и более тщательный расчет асинхронного мотора, возможностей регулировки рабочего момента на валу здесь на порядок больше, чем у двигателей с ротором короткозамкнутого типа, контроль и применение которых обычно связано с необходимостью использования частотного преобразователя или специального регулятора оборотов.

Статорная обмотка создается с учетом количества катушек и полюсов, которых на статоре и роторе должно быть одинаковое количество. Сдвиг катушек статора между собой происходит на определенное число градусов.

Регулировка действия асинхронного двигателя с фазным ротором выполняется путем изменения тока в роторных обмотках. Это позволяет контролировать размер скольжения и рабочий момент электромотора.

Чтобы снизить износ колец и щеток во время полного выведения реостата их обычно замыкают посредством специального устройства для поднимания щеток

Достоинства и недостатки электромоторов с фазным ротором

Сейчас асинхронные силовые агрегаты широко применяются как в быту, так и на производстве. Такая популярность обусловлена большим количеством преимуществ, расширяющих их функционал и назначение.

Среди основных достоинств асинхронных моторов с ротором фазного типа можно выделить:

• высокие показатели стартового крутящего момента;
• стойкость к механическим перегрузкам без значительного уменьшения коэффициента полезного действия, а также без снижения эффективности и стабильности функционирования электроустановки (скорость работы даже сильно нагруженного агрегата остается в пределах допустимой нормы);
• низкая величина пускового тока;
• возможность работы в полностью автоматическом режиме;
• простая и интуитивно понятная схема пуска;
• доступная стоимость;
• отсутствие дополнительного рабочего и дорогостоящего монтажного оборудования.

Несмотря на все многочисленные плюсы, нельзя не отметить и недостатки асинхронного двигателя с такой конструкцией.

Главный из них – это достаточно большие габаритные размеры агрегата, что усложняет процесс монтажа, дальнейшую эксплуатацию и ремонт асинхронного двигателя с фазным ротором.

Кроме того, такие электромоторы часто уступают по продуктивности и КПД аналогичным по мощности силовым агрегатам с короткозамкнутым ротором.  

Асинхронные двигатели с фазным ротором — пуск, характеристики и устройство, применение и принцип работы

• 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.

Загрузка…

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором

В настоящее время, на долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью. К ним относятся и трехфазные асинхронные двигатели.

Трехфазные асинхронные электродвигатели широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, бытовых и медицинских приборах, устройствах звукозаписи и т.п.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Широкое распространение трехфазных асинхронных двигателей объясняется простотой их конструкции, надежностью в работе, хорошими эксплуатационными свойствами, невысокой стоимостью и простотой в обслуживании.

Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором

Основными частями любого асинхронного двигателя является неподвижная часть – статор и вращающая часть, называемая ротором.

Статор трехфазного асинхронного двигателя состоит из шихтованного магнитопровода, запрессованного в литую станину.

На внутренней поверхности магнитопровода имеются пазы для укладки проводников обмотки. Эти проводники являются сторонами многовитковых мягких катушек, образующих три фазы обмотки статора.

Геометрические оси катушек сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки можно соединить по схеме ''звезда'' или «треугольник» в зависимости от напряжения сети. Например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В фазы соединяют «звездой». Если же напряжение сети 220 В, то обмотки соединяют в «треугольник». В обоих случаях фазное напряжение двигателя равно 220 В.

Ротор трехфазного асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали и насаженный на вал. В зависимости от типа обмотки роторы трехфазных асинхронных двигателей делятся на короткозамкнутые и фазные.

В асинхронных электродвигателях большей мощности и специальных машинах малой мощности для улучшения пусковых и регулировочных свойств применяются фазные роторы. В этих случаях на роторе укладывается трехфазная обмотка с геометрическими осями фазных катушек (1), сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 120 градусов.

Фазы обмотки соединяются звездой и концы их присоединяются к трем контактным кольцам (3), насаженным на вал (2) и электрически изолированным как от вала, так и друг от друга. С помощью щеток (4), находящихся в скользящем контакте с кольцами (3), имеется возможность включать в цепи фазных обмоток регулировочные реостаты (5).

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет лучшие пусковые и регулировочные свойства, однако ему присущи большие масса, размеры и стоимость, чем асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы асинхронных электродвигателей

Принцип работы асинхронной машины основан на использовании вращающегося магнитного поля. При подключении к сети трехфазной обмотки статора создается вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого определяется частотой сети f и числом пар полюсов обмотки p, т. е. ω1=2πf/p

Пересекая проводники обмотки статора и ротора, это поле индуктирует в обмотках ЭДС (согласно закону электромагнитной индукции). При замкнутой обмотке ротора ее ЭДС наводит в цепи ротора ток. В результате взаимодействия тока с результирующим малнитным полем создается электромагнитный момент.

Если этот момент превышает момент сопротивления на валу двигателя, вал начинает вращаться и приводить в движение рабочий механизм. Обычно угловая скорость ротора ω2 не равна угловой скорости магнитного поля ω1, называемой синхронной. Отсюда и название двигателя асинхронный, т. е. несинхронный.

Работа асинхронной машины характеризуется скольжением s, которое представляет собой относительную разность угловых скоростей поля ω1 и ротора ω2: s=(ω1-ω2)/ω1

Значение и знак скольжения, зависящие от угловой скорости ротора относительно магнитного поля, определяют режим работы асинхронной машины.

Так, в режиме идеального холостого хода ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой частотой в одном направлении, скольжение s=0, ротор неподвижен относительно вращающегося магнитного пол, ЭДС в его обмотке не индуктируется, ток ротора и электромагнитный момент машины равны нулю.

При пуске ротор в первый момент времени неподвижен: ω2=0, s=1. В общем случае скольжение в двигательном режиме изменяется от s=1 при пуске до s=0 в режиме идеального холостого хода.

При вращении ротора со скоростью ω2>ω1 в направлении вращения магнитного поля скольжение становится отрицательным. Машина переходит в генераторный режим и развивает тормозной момент.

При вращении ротора в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поли (s>1), асинхронная машина переходит в режим противовключения и также развивает тормозной момент.

Таким образом, в зависимости от скольжения различают двигательный (s=1÷0), генераторный (s=0÷-∞) режимы и режим противовключення (s=1÷+∞). Режимы генераторный и противовключения используют для торможения асинхронных двигателей.

Что такое асинхронный двигатель с фазным ротором и где он используется

Устройство и принцип работы асинхронного двигателя с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором в целом похожи, основные отличия лежат в конструкции этого самого ротора, схеме подключения и принципе запуска.

Устройство и принцип работы

Основные элементы асинхронной машины — это статор и ротор. Статор – это неподвижный элемент электрической машины, который состоит из сердечника с обмоткой. В статор помещается вращающийся ротор — вал, на котором расположен сердечник с короткозамкнутой (у АД с КЗ-ротором) или изолированной обмоткой (у АД с фазным ротором).

Так как магнитный поток в асинхронном двигателе переменный, сердечник статора изготавливается шихтованными, то есть он состоит из набора тонких пластин, которые изолируются друг от друга окалиной и покрываются лаком. Это нужно для снижения вихревых токов и потерь.

Рисунок 1 – устройство асинхронного двигателя с фазным роторомРисунок 1 – устройство асинхронного двигателя с фазным ротором

В сердечнике есть пазы, в которые укладывается трёхфазная обмотка. А сам сердечник запрессовывается в литую станину – корпус двигателя.

https://www.youtube.com/watch?v=aFVdVju2W-Q

Обмотка статора – состоит из катушек, намотанных медным проводником и расположенных в статоре так, что их геометрические оси сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120 градусов, как и фазы в трёхфазной системе питания. Обмотки статора соединяются по схеме звезды или треугольника.

Рисунок 2 — Расположение обмоток статораРисунок 2 — Расположение обмоток статора

На фазном роторе размещены три изолированные обмотки, соединённые по схеме звезды. Сердечник ротора также, как и статора набирается из штампованных листов электротехнической стали. Свободные концы обмоток выведены к контактным кольцам. Для съёма тока с колец используются щётки, закреплённые на щёткодержателях.

Рисунок 3 — Устройство фазного ротораРисунок 3 — Устройство фазного ротора

Принцип действия асинхронного двигателя с фазным ротором такой же, как и у двигателя с короткозамкнутым ротором— вращающееся магнитное поле статора пересекая проводники обмотки ротора индуктирует в них ЭДС. Если обмотка ротора замкнута, то ЭДС порождает электрический ток. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем статора возникает электромагнитный момент и ротор начинает вращаться.

Частота вращения магнитного поля или синхронная частота n1 рассчитывается по формуле:

n1=60f/p ,

где f – частота питающей сети, а p – число пар полюсов обмотки статора. У двигателя с одной парой полюсов она равна 3000 об/мин.

• Частота вращения ротора n2 немного ниже, и её можно посчитать по формуле:
• n2=n1*(1-S )=(f1×60/p)(1-s), где n1 – синхронная частота, S – скольжение.
• Скольжение S – это величина, которая выражает разницу между частотой вращения вала и частотой вращения магнитного поля статора у асинхронного двигателя, рассчитывается по формуле:
• S =((n1-n2)/n1)*100%.
• Величина скольжения у разных двигателей отличается, зачастую указывается на шильдике и обычно лежит в пределах 2-8%.
• Итак, частота вращения ротора любого АД определяется скольжением, частотой питающей сети и числом пар полюсов в обмотке статора.
• Начнём с конца — изменить число полюсов в обмотке односкоростного двигателя в процессе работы не получится — для этого есть многоскоростные двигатели, у которых изначально обмотка рассчитана на переключения.

Для изменения частоты тока используют частотные преобразователи. Раньше они не были слишком распространены из-за высокой стоимости, но в последнее время используются всё чаще и всё в большем количестве задач.

Изменять скольжение для регулировки частоты вращения АД можно:

1. Изменением питающего напряжения, подводимого к обмотке статора.
2. Нарушением симметрии питающего напряжения.
3. Изменением активного сопротивления обмотки ротора.

Регулировка частоты вращения двигателя изменением скольжения возможно только для нагруженного двигателя. То есть на холостом ходу его вал всё равно будет вращаться со скоростью близкой к номинальной.

Величину питающего напряжения обычно изменяют с помощью регулировочных автотрансформаторов или включают реакторы в разрыв линейных проводов (последовательно с обмоткой статора), такой способ используется с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.

Изменение скольжения за счёт изменения активного сопротивления обмотки ротора возможно только на асинхронных двигателях с фазным ротором, как отмечалось выше, к кольцам ротора подключаются, через щётки, резисторы или реостат. При движении бегунка реостата изменяется его сопротивление, так как реостат подключён к обмотке ротора, то при этом изменяется активное сопротивление в цепи ротора.

Рисунок 4 — Схема фазного ротора с подключённым регулировочным реостатомРисунок 4 — Схема фазного ротора с подключённым регулировочным реостатом

При увеличении активного сопротивления обмотки ротора увеличивается скольжение, соответствующее заданному нагрузочному моменту. Говоря простым языком – при одной и той же нагрузке на двигатель, при увеличении скольжения будут уменьшаться обороты ротора. По той же причине при увеличении активного сопротивления ротора увеличивается и пусковой момент.

Рисунок 5 — Влияние активного сопротивления обмотки ротора на механическую характеристику асинхронного двигателяРисунок 5 — Влияние активного сопротивления обмотки ротора на механическую характеристику асинхронного двигателя

Зависимость скольжения от сопротивления определяется по формуле:

Предлагаю не вдаваться в подробности и не рассматривать эти вопросы глубже, чтобы не увеличивать объём статьи, а просто запомнить – чем больше активное сопротивление обмоток – тем меньше обороты ротора при той же нагрузке. Давайте перейдём к практике, а именно рассмотрим схему подключения.

Схема подключения

Разбирать схему включения асинхронного двигателя с фазным ротором будем на примере схемы плавного пуска.

Рисунок 6 — Схема запуска асинхронного двигателя с фазным ротором с выведением резисторов по задержке времени Рисунок 6 — Схема запуска асинхронного двигателя с фазным ротором с выведением резисторов по задержке времени

Схему условно можно разделить на 2 цепи – силовую и управления.

Силовая цепь состоит из автоматического выключателя QF , контактора КМ1, теплового реле КК, включённого в разрыв питающего двигатель кабеля и самого двигателя. Контактор КМ1 подаёт напряжение на обмотку статора.

Контакторы КМ2, КМ3 и КМ4 шунтируют (выводят из цепи) резисторы, соединённые с обмоткой ротора. Резисторы, кстати, соединяются тоже по схеме звезды.

Рисунок 7 — Силовая часть схемы Рисунок 7 — Силовая часть схемы

Цепь управления состоит из катушки контактора двигателя КМ1, подключённой по стандартной схеме с самоподхватом через нормально замкнутый контакт теплового реле КК. И цепи управления контакторами резисторов КМ2, КМ3 и КМ4, реле времени КТ1, КТ2 и КТ3. При срабатывании теплового реле, контакт КК разомкнётся и отключит контактор КМ1 и все цепи обесточатся – и двигатель, и цепь управления.

Рисунок 8 — Цепь управления Рисунок 8 — Цепь управления

При включении автомата QF напряжение через нормально замкнутую кнопку SB2 (СТОП) поступает на нормально разомкнутую кнопку SB1 (ПУСК). При нажатии на кнопку SB1 напряжение подаётся на контактор катушку контактора КМ1, в результате чего нормально разомкнутые контакты КМ1.1, КМ1.2.

КМ1.1 запитает цепь из реле времени КТ1, КТ2, КТ3 и контакторов управляющих резисторами в цепи ротора КМ2, КМ3, КМ4.

КМ1.2 замкнётся и будет удерживать контактор КМ1 во включённом состоянии – это называют самоподхватом, когда контактор удерживается во включенном состоянии за счет того, что катушка питается через контакт этого же самого контактора.

Начнётся «процесс» запуска двигателя. В первый момент времени, когда вал ещё не вращается к нему подключены все сопротивления, ток ротора, наводимый вращающимся магнитным полем, будет протекать через всю цепочку, а его значение будет минимальным.

Реле времени КТ1, КТ2 и КТ3 настроены на определённую задержку времени, через которую они будут включаться. Время задержки настраиваться для каждого конкретного случая, в зависимости от режима запуска и работы двигателя, нагрузки на его валу. Поэтому опустим конкретные цифры, просто примем, что эти реле включаются одно за другим.

По истечении времени задержки КТ1 включится и включит контактор КМ2, тем самым выведет из цепи первую цепочку сопротивлений. Активное сопротивление ротора уменьшится, уменьшиться и его скольжение, а значит обороты станут больше при том же моменте.

Двигатель продолжит разворачиваться и по истечении времени задержки КТ2 сработает, включит КМ3 и выведет из цепи ротора следующую цепочку резисторов, сопротивление ротора уменьшится ещё больше, вал начнёт вращаться ещё быстрее и так далее… Такой процесс будет повторяться столько раз, сколько ступеней резисторов подключено к ротору, что вы и можете видеть на следующей анимации.

Так и происходит плавный пуск асинхронного двигателя с фазным ротором, таким образом, повышается пусковой момент и снижается пусковой ток. Но из-за того, что двигатель работает, по сути своей, как трансформатор – то ток, протекающий через резисторы ротора, преобразуется в тепло. То есть КПД двигателя в таких режимах низкая.

Аналогичным способом происходит и регулировка частоты вращения АД с фазным ротором, только цепочки резисторов подключаются/отключаются не автоматически, а вручную. Например, на грузоподъёмных кранах для этого используют командоконтроллеры.

Командоконтроллер — это коммутационный аппарат с множеством контактов, которые переключаются с помощью рычага с несколькими фиксированными положениями, как у рычага автоматической коробки передач автомобиля. При переводе рычага в каждое из положений соединяются разные группы контактов и замыкают соответствующие определённым режимам работы (скоростям) двигателя цепи.

Рисунок 10 – Коммутационные аппараты для управления грузоподъёмным краномРисунок 10 – Коммутационные аппараты для управления грузоподъёмным краном

На современных кранах используются миниатюрные и более комфортные для крановщика джойстики, кроме габаритов их конструкция ничем особо не отличается, за исключением того, что один аппарат может управлять перемещением тележки крана в разных направлениях (продольное и поперечное).

Рисунок 11 — Джойстик для управления краномРисунок 11 — Джойстик для управления краном

Резисторы для двигателя с фазным ротором выполняются в виде спиралей, свитых из металлических лент или проволоки (фехралевой, константановой ) и закреплённых на шасси.

Рисунок 12 — Блок резисторов БФК ИРАК 434.334.001-41 Рисунок 12 — Блок резисторов БФК ИРАК 434.334.001-41

Пример схемы управления двигателем грузоподъёмного механизма вы видите ниже.

Здесь в средней части схемы пунктирными линиями изображены положения контактной группы командоконтроллера.

В остальном схема почти аналогична рассмотренной в статье, а основные отличия в том, что вместо реле времени установлен командоконтроллер, а двигатель подключен по реверсивной схеме.

Рисунок 13 — Схема управления двигателя грузоподъёмного механизма с реверсивным включением двигателяРисунок 13 — Схема управления двигателя грузоподъёмного механизма с реверсивным включением двигателя

Заключение

У асинхронного двигателя с фазным ротором лучшие пусковые и регулировочные свойства, но у него больше масса, размеры и стоимость, чем у двигателя с короткозамкнутым ротором. Из-за включения резисторов в цепь ротора снижается КПД двигателя в режиме, когда ротор вращается с пониженной скоростью. Для получения большего КПД используют двигатели с преобразователями частоты.

Алексей Бартош специально для ЭТМ