Многоскоростные электродвигатели

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых  с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

  • Продолжительный;
  • Кратковременный;
  • Периодический;
  • Повторно-кратковременный;
  • Особый.

Продолжительный режим — основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Watch this video on YouTube

Как ограничить пусковой ток

По этой причине асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в некоторых сетях приходилось заменять движками другой конструкции. Конструктивно несложно сделать так, чтобы в одном и том же статоре применить и короткозамкнутый, и фазный ротор. Дело в том, что в установившемся режиме, когда обороты набраны, обе эти конструкции эквивалентны нагруженной вторичной обмотке трансформатора. Поэтому и фазный, и короткозамкнутый ротор будут работать без существенных отличий.

Следует упомянуть специальные конструктивные решения, которые сглаживают броски пускового тока. Они основаны на распределении электротока в зависимости от его силы по сечению проводника. Речь идет о двойной беличьей клетке и глубоком пазе. Изображения таких конструкций показаны далее. Но устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором не обеспечивает управление электромагнитными процессами в нем.

Ротор с глубокими пазами
Двуклеточный ротор

Если потребуется плавно с ограничением тока запустить трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, надо в каждой фазе установить регулятор. Потребуется три регулятора, которыми надо согласованно управлять под напряжением источника питания. Получается сложная схема, которую не всегда удавалось эффективно реализовать. Поэтому применение фазного ротора вместо короткозамкнутого до появления мощных полупроводниковых приборов было самым оптимальным техническим решением ограничения пускового тока.

Как выглядит эта конструкция и его эквивалентная схема, показано далее.


Фазный ротор


Фазный ротор и его схема со стартовыми реостатами

Вместо намного более простой, но сильно токовой беличьей клетки для каждой фазы делается обмотка (1) из большого числа витков. Соответственно, уменьшается величина тока. С этой же целью выбрано соединение звездой. Выводы обмоток расположенных на вале (2) и присоединяются к трем кольцам (3), установленным на этом же вале. Для получения возможности соединения с ними на корпусе движка крепятся щетки (4). Фактически каждая щетка — это вывод вторичной обмотки трансформатора. Присоединение статора к источнику питания будет означать появление напряжения на щетках.

Если к этим выводам не присоединена нагрузка, ротор реагирует на поле статора весьма незначительно. Он собран из пластин, изоляция которых препятствует появлению электротока. А при замыкании щеток накоротко получится разновидность короткозамкнутой конструкции. Следовательно, подбирая нагрузку, например, реостатом (5), можно обеспечить регулировку пускового тока и режима работы движка в дальнейшем. Но стоимость фазного ротора существенно выше беличьего колеса. И надежность щеточного контакта ухудшает характеристики электродвигателя.     


Трехфазный асинхронный двигатель

Движки однофазные, отличие которых от трехфазных моделей заключено в первую очередь в существенно меньшей мощности, никогда не изготовляются с фазными роторами. 


Пример схемы управления на полупроводниковых элементах

Да и современные асинхронные трехфазные движки дешевле сделать в виде короткозамкнутой конструкции с инверторным регулятором в цепи статора. Так что фазный ротор постепенно становится анахронизмом.

Предупреждение повреждения изоляции обмотки статора асинхронного электродвигателя

Причины повреждения обмоток статора асинхронных электродвигателей

Большинство аварий электрических машин связано с повреждением обмотки статора.

Примечание. Высокая повреждаемость обмотки объясняется тяжелыми условиями работы и недостаточной стабильностью электрических свойств изоляционных материалов.

В результате повреждения изоляции может произойти замыкание между:

— обмоткой и магнитопроводом;

— витками катушек или между фазными обмотками.

Основной причиной повреждения изоляции является резкое снижение электрической прочности под влиянием:

— увлажнения обмотки;

— загрязнения поверхности обмотки;

— попадания в электродвигатель металлической стружки токопроводящей пыли;

— наличия в охлаждающем воздухе паров различных жидкостей;

— продолжительной работы электродвигателя при повышенной температуре обмотки;

— естественного старения изоляции.

Увлажнение обмотки может произойти вследствие продолжительного хранения или эксплуатации электродвигателя в сыром неотапливаемом помещении. В установленном электродвигателе увлажнение может произойти при длительном неподвижном состоянии, особенно при повышенной влажности окружающего воздуха или при попадании воды непосредственно в электродвигатель.

Совет. Для предупреждения увлажнения обмотки во время хранения электродвигателя необходимы хорошая вентиляция складского помещения и умеренное отапливание в холодное время года. В периоды длительных остановок электродвигателя при сырой и туманной погоде следует закрывать задвижки воздушных каналов поступающего и выходящего воздуха. При теплой сухой погоде все задвижки должны быть открыты.

Во избежание образования водяной бани недопустимо хранение электродвигателей, укрытых брезентом и другими водонепроницаемыми материалами. Такое хранение допускается в случае установки дистанционирующих прокладок между корпусом электродвигателя и тентом. Необходима также регулярная вентиляция воздушного зазора и осушение воздуха помещений.

Загрязнение обмотки электродвигателя происходит, главным образом, вследствие использования для охлаждения недостаточно чистого воздуха. Вместе с охлаждающим воздухом в электродвигатель могут попадать угольная и металлическая пыль, сажа, пары и капли различных жидкостей. Вследствие износа щеток и контактных колец образуется проводящая пыль, которая при встроенных контактных кольцах оседает на обмотках электродвигателя.

Предотвращение загрязнения может быть достигнуто внимательным уходом за электродвигателем и тщательной очисткой охлаждающего воздуха. Необходимо:

— периодически осматривать электродвигатель;

— очищать его от пыли и грязи;

— в случае необходимости производить мелкий ремонт изоляции.

При повышенном нагревании, а также в результате естественного старения изоляция в значительной мере утрачивает механическую прочность, становится хрупкой и гигроскопичной.

При длительной работе машины крепления пазовых и лобовых частей обмотки ослабляются и вследствие вибрации их изоляция разрушается. Изоляция обмотки может быть повреждена:

— из-за небрежной сборки и транспортировки электродвигателя;

— вследствие разрыва вентилятора или бандажа ротора;

— в результате задевания ротора за статор.

Сопротивление изоляции обмотки статора асинхронных электродвигателей

О состоянии изоляции можно судить по ее сопротивлению. Минимальное сопротивление изоляции зависит: от напряжения U, В; электродвигателя и его мощности Р, кВт.

Сопротивление изоляции обмоток от магнитопровода и между разомкнутыми фазными обмотками при рабочей температуре электродвигателя должно быть не менее 0,5 МОм.

Совет. При температуре ниже рабочей это сопротивление необходимо удваивать на каждые 20°С (полные или неполные) разности между рабочей температурой и той температурой, для которой оно определяется.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Для регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей и управления режимами их работы существуют следующие способы:

  1. Частотный – при изменении частоты тока в электрической сети изменяется частота вращения электрического двигателя. Для такого способа применяют устройство, которое называется частотный преобразователь;
  2. Реостатный – при изменении сопротивления реостата в роторе, изменяется частота вращения. Такой способ увеличивает пусковой момент и критическое скольжение;
  3. Импульсный – способ управления, при котором на двигатель подается напряжение специального вида.
  4. Переключение обмоток по время работы электрического двигателя со схемы «звезда» на схему «треугольник», что снижает пусковые токи;
  5. Управление с изменения пар полюсов для короткозамкнутых роторов;
  6. Подключение индуктивного сопротивления для двигателей с фазным ротором.

С развитием электронных систем, управление различными электродвигателями асинхронного типа становится все более эффективным и точным. Такие двигатели используются в мире повсеместно, разнообразие задач, выполняемых такими механизмами, с каждым днем растет, и потребность в них не уменьшается.

Разновидности простейших движков-трансформаторов

Движки переменного тока могут быть синхронными. Схема получается проще, а мотор дешевле. Хотя все асинхронные двигатели содержат статор, аналогичный синхронной машине, конструкция ротора определяет их существенное отличие от них. Его не нужно намагничивать тем или иным способом, как это делается в синхронном движке. Несмотря на отличия моделей асинхронных машин, конструкция их ротора — это эквивалент короткозамкнутой вторичной обмотки.

Самый простой вариант — короткозамкнутый ротор. Его можно просто отлить из ферромагнитного материала и обработать надлежащим образом. Сплавы на основе железа проводят электрический ток и взаимодействуют с магнитным полем. Цельнометаллическая конструкция обладает следующими преимуществами:

  • наиболее проста в изготовлении и по этой причине обладает минимальной себестоимостью;
  • лучше всего переносит усилия, возникающие при работе двигателя;
  • хорошо разгоняется из-за эффективного взаимодействия магнитных полей.


Цельнометаллический вариант

Как преодолеваются недостатки болванки

Однако вполне очевидно то, что такой короткозамкнутый ротор будет не лучшим проводником для токов, индуцируемых статором. Сплавы железа проводят электроток заметно хуже алюминия или меди. Кроме этого ведь неспроста магнитопроводы трансформаторов изготавливают из стальных пластин, а не из цилиндрических болванок. Вихревые токи нагревают литой металл и уменьшают общую эффективность электроустановки. Поэтому недостатки массивности конструкции из железного сплава конструктивно учитывает наиболее эффективный двигатель с короткозамкнутым ротором.

В таком электродвигателе используются алюминиевые или медные детали. Функции применительно к созданию магнитного поля и проводимости тока конструктивно разделяются. Для получения переменного магнитного поля с малыми потерями по аналогии с трансформаторами применяются тонкие изолированные пластины. Каждая из них содержит выемки и по форме эквивалентна поперечному сечению ротора. Ее материалом является трансформаторная сталь.

Как получается беличье колесо (клетка)

После того как пластины собраны, получается цилиндр с канавками. Они образованы выемками, в которые укладываются стержни из алюминия или меди. На торцы цилиндра надеваются пластины или кольца из такого же металла, что и стержни, концы которых крепятся к ним. Каждая пара диаметрально противоположных стержней, таким образом, создает короткозамкнутый виток. Его сопротивление индуцируемому току гораздо меньше, чем у железного сплава. Стержни с пластинами выглядят, как беличья клетка.


Беличья клетка

Поэтому двигатель с короткозамкнутым ротором такой конструкции имеет меньше потерь и по этой причине широко распространен. Но сходство этого электромотора асинхронного электродвигателя короткозамкнутым ротором своим похожего на обычный нагруженный силовой трансформатор ограничено к применению в некоторых электросетях. Не каждая из них может выдержать большой пусковой ток. Если асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором будут стартовать одновременно, величина тока будет велика и сравнима с коротким замыканием.

В начале их пуска происходит процесс, аналогичный включению трансформатора с вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. В этом начальном положении магнитное поле почти неподвижно, и в этой связи так называемое скольжение получается самым большим. Неподвижный короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя создает при пуске наиболее мощное электромагнитное поле. Ведь он собран из листовой стали, отличающейся минимальными вихревыми потерями, а беличье колесо характеризуется минимальным электрическим сопротивлением.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Принцип работы электродвигателя

1. Согласно на проводник с током I в магнитном поле будет действовать сила F.

2. Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F

3. Силы, действующие на рамку, создают или момент силы, вращающий ее.

4. Производимые электродвигатели имеют несколько витков на , чтобы обеспечить больший постоянный .

5. Магнитное поле может создаваться как магнитами, так и электромагнитами. Электромагнит обычно представляет из себя провод намотанный на сердечник. Таким образом, по ток протекающий в рамки будет индуцировать ток в обмотки электромагнита, который в свою очередь будет создавать магнитное поле.

  • Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
Ссылка на основную публикацию