По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (последние называют также двигателями с контактными кольцами). Рассматриваемые двигатели име ют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением обмотки ротора.
Двигатели с короткозамкнутым ротором. На статоре (рис. 5.3) расположена трехфазная обмотка, которая при подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки, является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет.
«Беличья клетка» состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 5.4, а). Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. В двигателях малой и средней мощности «беличью клетку» обычно получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора (рис. 5.4, б). Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцовые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. Для этой цели особенно пригоден алюминий, обладающий малой плотностью, легкоплавкостью и доста точно высокой электропроводностью. В машинах большой мощности пазы короткозамкнутого ротора выполняют полузакрытыми, в машинах малой мощности-закрытыми. Обе формы паза позволяют хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивают потоки рассеяния и индуктивное сопротивление роторной обмотки.
В двигателях большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца (рис. 5.4, в). Различные формы пазов ротора показаны на рис. 5.4, г.
В электрическом отношении «беличья клетка» представляет собой многофазную обмотку, соединенную по схеме Υ и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки т 2 равно числу пазов ротора z 2 , причем в каждую
Рис. 5.3. Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым
ротором:
1 - корпус; 2 - сердечник статора; 3 - сердечник ротора; 4 - обмотка
ротора «беличья клетка»; 5 - обмотка статора; 6 -вентиляционные лопатки
ротора; 7 - подшипниковый щит; 8 - кожух вентилятора; 9 - вентилятор
фазу входят один стержень и прилегающие к нему участки короткоза- мыкающих колец.
Часто асинхронные двигатели с фазным и коротко замкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают для того, чтобы уменьшить высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнит ного потока из-за наличия зубцов, снизить шум, вызываемый магнитными причинами, устранить явление прилипания ротора к статору, которое иногда наблюдается в микро двигателях.
Рис. 5.4. Конструкция короткозамкнутого ротора:
1 -сердечник ротора; 2 - стержни; 3 - лопасти вентилятора; 4 - короткозамы-
кающие кольца
Двигатели с фазным ротором (рис. 5.5, а). Обмотка статора выполнена так же, как и в двигателях с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Обмотку ротора обычно соединяют по схеме Y , три конца которой выводят к трем контактным кольцам (рис. 5.5, б), вращающимся вместе с валом машины. С помощью металлографитных щеток, скользящих по кон тактным кольцам, в ротор включают пусковой или пускорегулирующий реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводят добавочное активное сопротивление.
Для уменьшения износа колец и щеток двигатели с фаз ным ротором иногда имеют приспособления для подъема щеток и замыкания колец накоротко после выключения реостата. Однако введение этих приспособлений усложняет конструкцию электродвигателя и несколько снижает надежность его работы, поэтому обычно применяют конструкции, в которых щетки постоянно соприкасаются с контактными кольцами. Основные конструктивные элементы двигателя с фазным ротором приведены на рис. 5.6.
Области применения двигателей различных типов. По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором про ще двигателей с фазным ротором и более надежны в эксплуатации (у них отсутствуют кольца и щетки, требующие систематического наблюдения, периодической
Рис. 5.5. Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором (а)
и схема его включения (б):
1 - обмотка статора; 2 - сердечник статора; 3 - корпус; 4 - сердечник ротора; 5 - обмотка ротора; 6 -вал; 7-кольца; 8 -пусковой реостат
замены и пр.). Основные недостатки этих двигателей - сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты (электроприводы металлообрабатывающих станков, вентиляторов и пр.). Асинхронные двигатели малой мощности и микродвигатели также выполняют с короткозамкнутым ротором.
Как показано ниже, в двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и уме ньшать пусковой ток. Следовательно, такие двигатели можно применять для привода машин и механизмов,
Рис. 5.6. Статор и ротор асинхронного двигателя с фазным ротором:
1 - обмотка статора; 2 -корпус; 3 -сердечник статора; 4 - коробка с выводами; 5 - сердечник ротора; 6 - обмотка ротора; 7 - контактные кольца
которые пускают в ход при большой нагрузке (электроприводы грузоподъем-ных машин и пр.).
Электродвигатели переменного тока, использующие для своей работы вращающееся магнитное поле статора, являются в настоящее время весьма распространенными электрическими машинами. Те из них, у которых частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля статора, называются асинхронными двигателями
.
В связи с большими мощностями энергетических систем и большой протяженностью электрических сетей энергоснабжение потребителей всегда осуществляется на переменном токе. Поэтому естественно стремление к максимальному использованию электрических двигателей переменного тока. Это, казалось бы, освобождает от необходимости многократного преобразования энергии.
К сожалению, двигатели переменного тока по своим свойствам, и прежде всего по управляемости, существенно уступают двигателям постоянного тока, поэтому они используются преимущественно в установках, где не требуется регулирование скорости.
Относительно недавно начали активно использоваться регулируемые системы переменного тока с подключением электродвигателей переменного тока через .
Очень широко применяются в различных отраслях хозяйства и производства асинхронные двигатели в силу простоты их изготовления и высокой надежности. Между тем, можно выделить четыре основных типа асинхронных двигателей:
однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором.
Однофазный асинхронный двигатель содержит на статоре лишь одну рабочую обмотку, на которую в процессе работы двигателя подается переменный ток. Но для пуска двигателя на его статоре есть и дополнительная обмотка, которая кратковременно подключается к сети через конденсатор или индуктивность, либо замыкается накоротко. Это необходимо для создания начального сдвига фаз, чтобы ротор начал вращаться, иначе пульсирующее магнитное поле статора не столкнуло бы ротор с места.
Ротор такого двигателя, как и любого другого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, представляет собой цилиндрический сердечник с залитыми алюминием пазами, с одновременно отлитыми вентиляционными лопастями. Такой ротор, типа «беличья клетка» и называется короткозамкнутым ротором. Однофазные двигатели применяются в маломощных приборах, таких как комнатные вентиляторы или небольшие насосы.
Двухфазные асинхронные двигатели наиболее эффективны при работе от однофазной сети переменного тока. Они содержат на статоре две рабочие обмотки, расположенные перпендикулярно, причем одна из обмоток подключается к сети переменного тока напрямую, а вторая – через фазосдвигающий конденсатор, так получается вращающееся магнитное поле, а без конденсатора ротор бы сам не сдвинулся с места.
Эти двигатели также имеют короткозамкнутый ротор, а их применение гораздо шире, чем у однофазных. Здесь уже и стиральные машины, и различные станки. Двухфазные двигатели для питания от однофазных сетей называют конденсаторными двигателями, так как фазосдвигающий конденсатор является зачастую неотъемлемой их частью.
Трехфазный асинхронный двигатель содержит на статоре три рабочие обмотки, сдвинутые относительно друг друга так, что при включении в трехфазную сеть, их магнитные поля получаются смещенными в пространстве относительно друг друга на 120 градусов. При подключении трехфазного двигателя к трехфазной сети переменного тока, возникает вращающееся магнитное поле, приводящее в движение короткозамкнутый ротор.
Обмотки статора трехфазного двигателя можно соединить по схеме «звезда» или «треугольник», причем для питания двигателя по схеме «звезда» требуется напряжение выше, чем для схемы «треугольник», и на двигателе, поэтому, указываются два напряжения, например: 127/220 или 220/380. Трехфазные двигатели незаменимы для приведения в действие различных станков, лебедок, циркулярных пил, подъемных кранов, и т.д.
Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором имеет статор аналогичный описанным выше типам двигателей, - шихтованный магнитопровод с тремя уложенными в его пазы обмотками, однако в фазный ротор не залиты алюминиевые стержни, а уложена уже полноценная трехфазная обмотка, в . Концы звезды обмотки фазного ротора выведены на три контактных кольца, насаженных на вал ротора, и электрически изолированных от него.
1 - кожух с жалюзями, 2 - щетки, 3 - щеточная траверса со щеткодержателями, 4 - палец крепления щеточных траверс, 5 - выводы от щеток, 6 - колодка, 7 - изоляционная втулка, 8 - контактные кольца, 9 - наружная крышка подшипника, 10 - шпилька крепления коробки и крышек подшипника, 11 - задний подшипниковый щит, 12 - обмотка ротора, 13 - обмоткодержатель, 14 - сердечник ротора, 15 - обмотка ротора, 16 - передний подшипниковый щит, 7 - наружная крышка подшипника, 18 - вентиляционные отверстия, 19 - станина, 20 - сердечник статора, 21 - шпильки внутренней крышки подшипника, 22 - бандаж, 23 - внутренняя крышка подшипника, 21 - подшипник, 25 - вал, 26 - контактные кольца, 27 - выводы обмотки ротора
Посредством щеток, на кольца также подается трехфазное переменное напряжение, и подключение может быть осуществлено как напрямую, так и через реостаты. Безусловно, двигатели с фазным ротором стоят дороже, но их под нагрузкой значительно выше, чем у типов двигателей с короткозамкнутым ротором. Именно в силу повышенной мощности и большого пускового момента, этот тип двигателей нашел применение в приводах лифтов и подъемных кранов, то есть там, где устройство запускается под нагрузкой, а не вхолостую.
Теория электромагнетизма, ключевая для процессов, происходящих в электрическом двигателе, является слишком сложной, поэтому, чтобы понять принцип действия электродвигателя в общем, будет достаточно упрощённого объяснения теоретических основ.
Для последовательного перехода к пониманию превращения электрической энергии в механическую, необходимо освежить в памяти базовые понятия из школьного курса физики:
Катушки асинхронного электродвигателя называют обмотками, которые располагаются в пазах статора. У трехфазных асинхронных моторов имеются одинаковые фазные обмотки, размещённые симметрично друг к другу, и их оси образуют угол 120º.
Синусоида каждой фазы обмотки двигателя
Как известно, синусоида тока каждой фазы, относительно предыдущей, сдвинута на треть периода, из-за чего силы магнетических потоков в обмотках изменяются по такому же принципу. Сложив векторы направленности электромагнетического поля в отдельно взятый момент времени, можно получить суммарный магнитный поток.
Складывая данные векторы через разные интервалы периода можно заметить, что направление суммарного магнитного потока вращается синхронно колебаниям тока. Данные вращения магнетического потока можно рассматривать как вращающийся постоянный подковообразный магнит.
Таким образом, принцип работы двигателя переменного тока (синхронного или асинхронного) состоит в создании вращающегося электромагнитного поля статора.
Если для опыта подковообразный магнит прикрепить на ось вращения, то любой металлический предмет, закреплённый между полюсами на независимой оси, будет двигаться синхронно. Логично будет поместить в центр статора с трехфазными обмотками ротор в виде постоянного магнита, чтобы получить синхронный электродвигатель.
Синхронный электродвигатель
Но, даже если использовать мощные современные магниты, вихревые токи, образующиеся при переменном электромагнитном поле, будут нагревать ротор, тем самым лишая его магнитных свойств, которые зависят от температуры постоянного магнита. В отношении статора данную проблему решили, собрав сердечник в виде пластин из специальной электротехнической стали.
Статор собран из листов электротехнической стали. а) Собранный вид, б) сам статор
Собрать таким способом ротор в виде пластинчатого постоянного магнита невозможно, поэтому использовали катушки возбуждения, являющиеся постоянным электромагнитом. Данный принцип действия электродвигателя является синхронным – роторный вал движется синхронно с электромагнитным полем статора, пребывающим во вращении.
В асинхронном электродвигателе с короткозамкнутым ротором нужно выделить два ключевых момента:
Рассмотреть процессы возникновения магнетического поля ротора нужно с момента запуска двигателя. Электромагнитное поле статора начинает вращение сразу же после подачи напряжения на статорные обмотки. Вал ротора находится в это время в состоянии покоя, и в его витках индуцируется переменный ток с частотой вращения поля.
В каждый момент времени, при прохождении полюса вращающегося электромагнитного поля около отдельно взятого короткозамкнутого витка, в нём создаётся взаимодействующее магнитное поле, которое стремится притянуть роторный виток вслед удаляющемуся полюсу движущегося электромагнитного поля.
Данные процессы происходят во всех короткозамкнутых витках при вращении поля вокруг них, из-за чего появляется суммарный вращательный момент роторного вала. Таким образом, принцип работы электродвигателя асинхронного типа состоит во взаимодействии электромагнитных полей статора и ротора.
По мере набора оборотов валом двигателя, частота пересечения короткозамкнутых роторных витков силовых линий вращающегося магнитного потока будет уменьшаться. Вал двигателя будет стремиться догнать вращающееся поле.
Но, как только роторный вал и статорное поле установятся в состоянии покоя относительно друг друга, короткозамкнутые витки перестанут пересекать силовые линии электромагнитного поля, а значит, в них не будет индуцироваться электрический ток. Исчезновение ЭДС в витках ротора приведёт к потере момента вращения. Данное состояние электродвигателя называют идеальным холостым ходом.
Но в реальных условиях, сила трения будет приводить к потере инерции, и ротор электродвигателя будет запаздывать по отношению к пребывающему во вращении статорному полю, что вызовет возникновение ЭДС в короткозамкнутых витках из-за их пересечения силовых линий магнитного потока.
Данный эффект называют скольжением ротора относительно поля статора, с которым он никогда не сможет установиться в состоянии покоя и вращаться с ним синхронно.
Поэтому такие двигатели называют асинхронными (не синхронными). Иными словами, принцип работы двигателя с короткозамкнутым ротором состоит в эффекте скольжения, являющегося необходимым для возникновения ЭДС в роторных витках.
Очевидно, что максимальная ЭДС в короткозамкнутых витках будет наводиться в момент запуска, но шихтованный роторный магнитопровод не рассчитан на столь частое перемагничивание, поэтому в данном режиме КПД электродвигателя и его вращательный момент будет низким.
С другой стороны, при приближении к синхронному движению роторного вала и поля статора, ЭДС будет приближаться к нулю, что также приведёт к исчезновению момента. Поэтому асинхронный электродвигатель, имеющий короткозамкнутые роторные витки, рассчитывают таким образом, чтобы коэффициент скольжения
составлял 2÷5%. В данных пределах характеристики мотора будут максимальными.
