Двигатель с фазным ротором принцип работы

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.

Крановые электродвигатели — технические характеристики

Для работы подъемных механизмом необходимо использование специального редуктора. Предлагаем рассмотреть, как работают асинхронные крановые электродвигатели с фазным ротором для частотного регулирования, их обмоточные данные и технические характеристики.

Особенности двигателей

Все тяговые электродвигатели ГОСТ 18374 делятся на две группы:

• работающие с фазным ротором;
• работающие с короткозамкнутым ротором.

Обе эти группы имеют высокий КПД, но у них несколько разный принцип работы. Данные моторы используются во всех видах кранов: тельферах, талях, башенных, козловых и портальных установках. Главным преимуществом работы обоих типов является то, что помимо динамического способа работы, когда определенное количество времени поднимается груз с некоторым весом, они могут работать статично, когда груз некоторое время висит на кране неподвижно. Рассмотрим подробнее их принцип работы.

Фото — Короткозамкнутые двигатели

Роторный мотор – это асинхронный двигатель, где ротор обмотки соединен через контактные кольца для внешнего сопротивления с рабочей и передаточной частью. Регулировка сопротивления позволяет контролировать частоты вращения крутящего момента двигателя. Роторный движок может быть запущен при помощи низкого пускового тока, а также путем использования высокого сопротивления в цепи ротора; при разгоне двигателя, сопротивление может быть уменьшено.

По сравнению с короткозамкнутым ротором, фазный двигатель роторного типа имеет больше витков обмотки; наведенное напряжение увеличивается, и имеющееся ниже, чем для короткозамкнутого ротора. При запуске типичного ротора используются 3 полюса, связанные с контактными кольцами. Каждый полюс соединен последовательно с переменной мощностью резистора. Во время запуска резисторов можно снизить напряженность поля статора. Как результат, пусковой ток сокращается. Еще одним важным преимуществом по сравнению с короткозамкнутым ротором является высокий стартовый крутящий момент.

Фото — Управление торможением фазного двигателя

Фазный роторный двигатель (сибэлектромотор), может быть использован в нескольких формах регулируемой скоростью вращения диска. Определенные типы вариаторов могут восстановить частоту скольжения и мощность от цепи ротора и питать его обратно в сеть, позволяя охватывать широкий диапазон скоростей с высокой энергетической эффективностью. Двойное питание электрических машин использует контактные кольца для внешнего питания в цепи ротора, что позволяет увеличить диапазон регулирования скорости вращения. Но сейчас такие механизмы редко используются, в основном они заменены на асинхронные двигатели с частотно-регулируемым приводом.

Фото — Конструкция фазного кранового электродвигателя

Короткозамкнутые роторы

Электродвигатели с короткозамкнутым ротором – это асинхронные крановые двигатели, которые состоят из стального цилиндра с алюминиевыми или медными жилами, внедренными в их поверхность и вращающейся части — ротора.

Эта модель двигателя представляет собой цилиндр, закрепленный на валу. Внутренне он содержит продольные проводящие бары (обычно изготавливается из алюминия или меди), установленные в пазы и присоединенные с обоих концов путем замыкания кольца, образующих каркасообразную форму. Название происходит от схожести между кольцами обмотки и баров с короткозамкнутым ротором.

Твердый сердечник ротора состоит из соединений легированной стали. Ротор имеет меньшее количество слотов, чем статор и не может быть кратен числу его пазов, для того чтобы предотвращать магнитные блокировки зубов ротора и статора первоначальный крутящий момент.

Описание принципа работы короткозамкнутого ротора: поля обмотки статора асинхронного электродвигателя переменного тока настраиваются на вращающееся магнитное поле через ротор. Благодаря движению, устройство начинает индуцировать ток и передавать его в обмотку и на бары. В свою очередь эти продольные токи в проводниках взаимодействуют с магнитным полем для производства моторной силы, выступая на касательный ортогональный ротор, в результате чего крутящий момент проворачивает вал. Также ротор вращается от магнитного поля, но на более низкой скорости. Разница в скорости называется скольжением и увеличивается с ростом нагрузки.

Схема работы изображена ниже:

Фото — Схема работы короткозамкнутых приводов

Проводники часто слегка наклонены по длине ротора, что снижает шум и сглаживает колебания крутящего момента, это может привести к увеличению скорости из-за взаимодействия с полюсными наконечниками статора. Количество баров на короткозамкнутом роторе определяет, в какой степени индуцированные токи возвращаются на обмотки статора и, следовательно, ток через них. Конструкция также может работать в качестве реверсивного механизма.

Железный якорь используется для того, чтобы проводить магнитное поле через проводники ротора. Дело в том, что МП ротора взаимодействует с МП якоря, и несмотря на то, что конструкция аналогичная трансформатору, это является причиной снижения и потери энергии. Якорь сделан из тонких пластин, разделенных лаковой изоляцией, чтобы уменьшить вихревые токи, циркулирующие в нем. Материал отличается низким уровнем выбросов углекислого газа, высоким кремния. Основа из чистого железа значительно снижает потери на вихревые токи, низкая коэрцитивная сила уменьшает малые потери на гистерезис.

Эта базовая конструкция используется как для однофазных, так и для трехфазных двигателей в широком диапазоне размеров. Роторы для трехфазных двигателей будут иметь вариации в глубину и форму баров. Как правило, бруски с большей толщиной могут иметь хороший крутящий момент и являются более эффективными в борьбе со скольжением, поскольку они представляют меньшую устойчивость к ЭМП.

Фото — Конструкция трехфазного двигателя

Трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором широко используются для:

1. Крановых механизмов;
2. Тяговых машин;
3. Комбайнов;
4. Грузовых автомобилей и кораблей.

Говоря про варианты установки двигателей, они бывают вертикально-фланцевые, горизонтальные, горизонтально-фланцевые.

Марки двигателей и обзор цен

На данный момент, в России и Украине осуществляется производство таких крановых электродвигателей:

Фазных – MTF, MTKF, MTM, MTН, MEZ FRENSTAT, KMR, DMTF, (завод Leroy Somer), WASI, FLSLB, SMH;

Короткозамкнутых – Sew-Eurodrive, двигатели от Bularia, Siemens, VEM, HORS, МТВ, МТИ, МТК, МТКМ, МТКН, МТМ, МТН, МТФ;

Для некоторых видов крановых механизмов (к примеру, металлургические подъемники), используются серии АИР (двухскоростные двигатели постоянного тока).

Купить крановые электродвигатели можно в любом городе СНГ, цена товара напрямую зависит от его мощности, фирмы-производителя и города, де он покупается. Возможен наличный и безналичный расчет. Из открытых источников мы собрали прайс-лист, предлагаем с ним ознакомиться (цены приблизительные, при покупке кранового электродвигателя обязательно просмотрите дополнительно каталог производителя, возможны изменения цен):

Все производители дают на свои приборы гарантию – 5 лет (минимум – год, т.к. мощность более 10 кВт). Продажа осуществляется в специализированных центрах, магазинах. Мы не советуем приобретать данные устройства из рук либо на стихийных рынках. Следите за тем, чтобы двигатели были работоспособные и полностью исправные, обязательно должны быть соблюдены условия хранения (влажность ниже 40 %, температура от +3 до +20 градусов), иначе возможно окисление внутренних контактов.

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

Асинхронный электродвигатель – очень распространенная электрическая машина. Он прост в изготовлении и обслуживании, а из-за простоты конструкции – очень надежен. Но есть у него один недостаток – угловая скорость вращения вала неизменна и зависит от количества полюсов обмотки статора. А как быть, если в процессе работы требуется изменять частоту вращения?

Необходимость регулировки оборотов в основном требуется для электродвигателей, устанавливаемых на кранах. Выполняют они там следующие основные функции:

• перемещение крана (моста крана) по рельсам;
• перемещение тележки крана (в перпендикулярной рельсам плоскости);
• подъем груза.

Для перемещения моста крана могут использоваться два двигателя (на обоих концах моста). Для подъема груза могут использоваться два гака разной грузоподъемности, поднимаемые разными электродвигателями. Один гак может иметь два диапазона скоростей подъема, и тоже использовать для этого два электродвигателя.

Мостовой кран

Есть и другие механизмы, скоростью вращения которых нужно управлять: конвейеры, вентиляторы.

Еще одна причина изменять скорость вращения электродвигателя – необходимость его плавного разгона. В момент включения он потребляет ток, в несколько раз превышающий номинальный. Называется он пусковым током. Если при этом еще и нагрузка мотора тяжелая и тоже разгоняется с трудом, то время пуска двигателя увеличивается, а пусковые токи нагревают обмотку статора и могут ее вывести из строя. Да и вал электромотора, его подшипники испытывают механические нагрузки, сокращающие их ресурс.

Электродвигатели постоянного тока способны изменять скорость вращения вала. Для этого в цепи их обмоток включаются реостаты. Этот метод решения проблемы используется на электрифицированном транспорте: в трамваях, троллейбусах, электричках, метро. Но вся инфраструктура энергоснабжения этих потребителей организована особым образом, ведь у постоянного тока свои особенности. Использовать же постоянный ток на предприятиях, большинство потребителей которых работает от сети трехфазного переменного тока, не выгодно. Да и у самих электродвигателей постоянного тока недостатков хватает: сложный щеточный аппарат, уход за коллектором. Реостаты греются, а дистанционное управление несколькими реостатами сразу – сложно.

Поэтому в подобных механизмах используются асинхронные электродвигатели с фазным ротором.

Принцип работы асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Статор этого электродвигателя ничем не отличается от обычного. А вот в его ротор добавлены обмотки трех фаз, соединенные в звезду, концы которых выведены на контактные кольца. По кольцам скользят щетки, с помощью которых обмотки подключаются к электрической цепи.

Фазный ротор

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором работает так:

• ток в обмотках статора создает вращающийся магнитный поток внутри него;
• изменяющийся во времени магнитный поток, пересекая витки обмотки ротора, наводит в них ЭДС;
• поскольку обмотка ротора замкнута, за счет наведенной ЭДС в ней возникает ток;
• проводники обмотки ротора с током взаимодействуют с вращающимся полем статора, создается вращающий момент.

Особенность асинхронного двигателя с фазным ротором: ток в роторе можно изменять, подключая последовательно с его обмотками резисторы. Чем больше сопротивление резистора, тем меньше ток в роторе. С уменьшением тока уменьшается и сила взаимодействия с вращающимся полем статора. Скорость вращения падает.

Наличие резисторов в цепи ротора увеличивает объем пускорегулирующей аппаратуры двигателя. Мощность, которая рассеивается на них, возрастает с мощностью электродвигателя. Но и для небольших моторов она существенна, что приводит к громоздким конструкциям магазинов сопротивлений и необходимости обеспечивать им постоянное охлаждение. Резисторы изготавливаются из материалов, имеющих высокое удельное сопротивление. Проводники их наматываются на каркасы или монтируются на изоляторы из фарфора. Конструкция помещается в кожух с жалюзийными отверстиями для охлаждения или закрываются сеткой.

Магазин резисторов для кранового электродвигателя с фазным ротором

Не всегда возможно разместить резисторы в помещениях. На кранах они находятся непосредственно на мосту, что приводит к массовому скоплению внутри них пыли и необходимости часто проводить техническое обслуживание.

Плавная регулировка скорости электродвигателя с фазным ротором не производится. Изменение сопротивления в цепи ротора производится фиксированными ступенями. Для этого резисторы разделяются на секции, соединенные последовательно, в цепях которых устанавливаются контакторы управления. При необходимости увеличить скорость вращения контакторы шунтируют часть резисторов, уменьшая их суммарное сопротивление. Для достижения максимальной скорости вращения шунтируются все резисторы, для минимальной – не шунтируется ничего.

Асинхронный электродвигатель с фазным ротором

А теперь рассмотрим несколько примеров построения схем управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

Плавный запуск двигателя с фазным ротором

Система плавного разгона электродвигателя с фазным ротором работает автоматически. Оператор нажимает кнопку «Пуск», дальше автоматика все делает сама.

Главный контактор подключает к трехфазному напряжению обмотку статора. Двигатель начинает вращение с минимально возможной скоростью, так как в цепь его ротора включены резисторы с максимально возможным сопротивлением.

Через фиксированную задержку, формируемую реле времени, включается первый контактор, шунтирующий первую секцию сопротивлений в цепи ротора. Скорость вращения немного возрастает. Проходит еще время, второе реле времени запускает следующий контактор. Шунтируется следующая секция сопротивлений, ток в цепи ротора возрастает, скорость вращения – увеличивается. И так далее, до полного исключения всех сопротивлений из цепи ротора. При этом электродвигатель выходит на номинальные обороты.

Схема плавного пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Число ступеней разгона выбирается из условий тяжести запуска. Разгон получается не таким уж плавным, ток в статоре возрастает ступенями. При старте и переходе на каждую последующую ступень, электродвигатель все равно потребляет пусковой ток, хоть и меньшего значения.

Этого недостатка лишены электродвигатели, для разгона которых используются жидкостные пускатели (или стартеры). В них в качестве резистора используется жидкость с высоким удельным сопротивлением. Это – дистиллированная вода с растворенной в ней специальной солью. Уменьшение сопротивления достигается за счет уменьшения расстояния между электродами, помещенными в эту жидкость. Электроды приводятся в движение небольшим электродвигателем через червячную передачу. За счет этого уменьшение сопротивления в цепи ротора и разгон электродвигателя происходят плавно.

Регулировка скорости крановых электродвигателей

Если при плавном запуске электродвигателя с фазным ротором управление переключением сопротивлений происходит автоматически, то на кране этим управляет оператор – крановщик. Для этого в его кабине размещаются органы управления – контроллеры (на старых кранах) или джойстики (на современных). Они имеют два направления движения: «вперед-назад», «влево-вправо» или «вверх-вниз», в зависимости от назначения контроллера (управление мостом, тележкой или подъемом груза соответственно). В каждом из направлений рукоятка управления проходит ряд фиксированных положений. Чем дальше положение от рукоятки от средней точки, в которой привод выключен, тем больше скорость вращения электромотора. И тем быстрее происходит перемещение механизма или подъем (опускание) груза.

При изменении направления перемещения рукоятки управления изменяется направление вращения электродвигателя. Это происходит за счет переключения чередования фаз питания обмотки статора. Для этого две фазы меняются местами. Происходит это путем подачи напряжения на обмотку реверсивными контакторами, состоящих из двух элементов: контактора «Вперед» и контактора «Назад».

При переключении скоростей другими контакторами из цепи обмотки ротора удаляется часть резисторов. Первое положение рукоятки управления всегда включает электродвигатель с полным набором сопротивлений в цепи ротора. Крайнее положение рукоятки шунтирует все сопротивления.

{SOURCE}