Что значит короткозамкнутый электродвигатель
Как вы знаете, асинхронные электродвигатели имеют трехфазную обмотку (три отдельные обмотки) статора, которая может формировать разное количество пар магнитных полюсов в зависимости от своей конструкции, что влияет в свою очередь на номинальные обороты двигателя при номинальной частоте питающего трехфазного напряжения. При этом роторы двигателей данного типа могут отличаться, и у асинхронных двигателей они бывают короткозамкнутыми или фазными. Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного ротора — об этом и пойдет речь в данной статье.
Короткозамкнутый ротор
Представления о явлении электромагнитной индукции подскажут нам, что произойдет с замкнутым витком проводника, помещенным во вращающееся магнитное поле, подобное магнитному полю статора асинхронного двигателя. Если поместить такой виток внутри статора, то когда ток на обмотку статора будет подан, в витке будет индуцироваться ЭДС, и появится ток, то есть картина примет вид: виток с током в магнитном поле. Тогда на такой виток (замкнутый контур) станет действовать пара сил Ампера, и виток начнет поворачиваться вслед за движением магнитного потока.
Так и работает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, только вместо витка на его роторе расположены медные или алюминиевые стержни, замкнутые накоротко между собой кольцами с торцов сердечника ротора. Ротор с такими короткозамкнутыми стержнями и называют короткозамкнутым или ротором типа «беличья клетка» поскольку расположенные на роторе стержни напоминают беличье колесо.
Проходящий по обмоткам статора переменный ток, порождающий вращающееся магнитное поле, наводит ток в замкнутых контурах «беличьей клетки», и весь ротор приходит во вращение, поскольку в каждый момент времени разные пары стержней ротора будут иметь различные индуцируемые токи: какие-то стержни — большие токи, какие-то — меньшие, в зависимости от положения тех или иных стержней относительно поля. И моменты никогда не будут уравновешивать ротор, поэтому он и будет вращаться, пока по обмоткам статора течет переменный ток.
К тому же стержни «беличьей клетки» немного наклонены по отношению к оси вращения — они не параллельны валу. Наклон сделан для того, чтобы момент вращения сохранялся постоянным и не пульсировал, кроме того наклон стержней позволяет снизить действие высших гармоник индуцируемых в стержнях ЭДС. Будь стержни без наклона — магнитное поле в роторе пульсировало бы.
Скольжение s
Для асинхронных двигателей всегда характерно скольжение s, возникающее из-за того, что синхронная частота вращающегося магнитного поля n1 статора выше реальной частоты вращения ротора n2.
Скольжение возникает потому, что индуцируемая в стержнях ЭДС может иметь место только при движении стержней относительно магнитного поля, то есть ротор всегда вынужден хоть немного, но отставать по скорости от магнитного поля статора. Величина скольжения равна s = (n1-n2)/n1.
Если бы ротор вращался с синхронной частотой магнитного поля статора, то в стержнях ротора не индуцировался бы ток, и ротор бы просто не стал вращаться. Поэтому ротор в асинхронном двигателе никогда не достигает синхронной частоты вращения магнитного поля статора, и всегда хоть чуть-чуть (даже если нагрузка на валу критически мала), но отстает по частоте вращения от частоты синхронной.
Скольжение s измеряется в процентах, и на холостом ходу практически приближается к 0, когда момент противодействия со стороны ротора почти отсутствует. При коротком замыкании (ротор застопорен) скольжение равно 1.
Вообще скольжение у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором зависит от нагрузки и измеряется в процентах. Номинальное скольжение — это скольжение при номинальной механической нагрузке на валу в условиях, когда напряжение питания соответствует номиналу двигателя.
Другие статьи про асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором на Электрик Инфо:
Фазный ротор
Асинхронные двигатели с фазным ротором, в отличие от асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, имеют на роторе полноценную трехфазную обмотку. Подобно тому, как на статоре уложена трехфазная обмотка, так же и в пазах фазного ротора уложена трехфазная обмотка.
Выводы обмотки фазного ротора присоединены к контактным кольцам, насаженным на вал, и изолированным друг от друга и от вала. Обмотка фазного ротора состоит из трех частей — каждая на свою фазу — которые чаще всего соединены по схеме «звезда».
К обмотке ротора через контактные кольца и щетки присоединяется регулировочный реостат. Краны и лифты, например, пускаются под нагрузкой, и здесь необходимо развивать существенный рабочий момент. Невзирая на усложненность конструкции, асинхронные двигатели с фазным ротором обладают лучшими регулировочными возможностями касательно рабочего момента на валу, чем асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, которым требуется промышленный частотный преобразователь.
Обмотка статора асинхронного двигателя с фазным ротором выполняется аналогично тому, как и на статорах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, и аналогичным путем создает, в зависимости от количества катушек (три, шесть, девять или более катушек), два, четыре и т. д. полюсов. Катушки статора сдвинуты между собой на 120, 60, 40 и т. д. градусов. При этом на фазном роторе делается столько же полюсов, сколько и на статоре.
Регулируя ток в обмотках ротора, регулируют рабочий момент двигателя и величину скольжения. Когда регулировочный реостат полностью выведен, то для уменьшения износа щеток и колец их закорачивают при помощи специального приспособления для подъема щеток.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Учитывая то, что электроснабжение традиционно осуществляется путём доставки потребителям переменного тока, понятно стремление к созданию электромашин, работающих на поставляемой электроэнергии. В частности, переменный ток активно используется в асинхронных электродвигателях, нашедших широкое применение во многих областях деятельности человека. Особого внимания заслуживает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который в силу ряда причин занял прочные позиции в применении.
Секрет такой популярности состоит, прежде всего, в простоте конструкции и дешевизне его изготовления. У электромоторов на короткозамкнутых роторах есть и другие преимущества, о которых вы узнаете из данной статьи. А для начала рассмотрим конструктивные особенности этого типа электрических двигателей.
Конструкция
В каждом электромоторе есть две важных рабочих детали: ротор и статор. Они заключены в защитный кожух. Для охлаждения проводников обмотки на валу ротора установлен вентилятор. Это общий принцип строения всех типов электродвигателей.
Конструкции статоров рассматриваемых электродвигателей ничем не отличаются от строения этих деталей в других типах электромоторов, работающих в сетях переменного тока. Сердечники статора, предназначенного для работы при трехфазном напряжении, располагаются по кругу под углом 120º. На них устанавливаются обмотки из изолированной медной проволоки определённого сечения, которые соединяются треугольником или звездой. Конструкция магнитопровода статора жёстко крепится на стенках цилиндрического корпуса.
Строение электродвигателя понятно из рисунка 1. Обратите внимание на конструкцию обмоток без сердечника в короткозамкнутом роторе.
Рис. 1. Строение асинхронного двигателя с КЗ Ротором
Немного по-другому устроен ротор. Конструкция его обмотки очень похожа на беличью клетку. Она состоит из алюминиевых стержней, концы которых замыкают короткозамыкающие кольца. В двигателях большой мощности в качестве короткозамкнутых обмоток ротора можно увидеть применение медных стержней. У этого металла низкое удельное сопротивление, но он дороже алюминия. К тому же медь быстрее плавится, а это не желательно, так как вихревые токи могут сильно нагревать сердечник.
Конструктивно стержни расположены поверх сердечников ротора, которые состоят из трансформаторной стали. При изготовлении роторов сердечники монтируют на валу, а проводники обмотки впрессовывают (заливают) в пазы магнитопровода. При этом нет необходимости в изоляции пазов сердечника. На рисунке 2 показано фото ротора с КЗ обмотками.
Рис. 2. Ротор асинхронного двигателя с КЗ обмотками
Пластины магнитопроводов таких роторов не требуют лаковой изоляции поверхностей. Они очень просты в изготовлении, что удешевляет себестоимость асинхронных электродвигателей, доля которых составляет до 90% от общего числа электромоторов.
Ротор асинхронно вращается внутри статора. Между этими деталями устанавливаются минимальные расстояния в виде воздушных зазоров. Оптимальный зазор находится в пределах от 0,5 мм до 2 мм.
В зависимости от количества используемых фаз асинхронные электродвигатели можно разделить на три типа:
Они отличаются количеством и расположением обмоток статора. Модели с трехфазными обмотками отличаются высокой стабильностью работы при номинальной нагрузке. У них лучшие пусковые характеристики. Зачастую такие электродвигатели используют простую схему пуска.
Двухфазные двигатели имеют две перпендикулярно расположенных обмотки статора, на каждую из которых поступает переменный ток. Их часто используют в однофазных сетях – одну обмотку подключают напрямую к фазе, а для питания второй применяют фазосдвигающий конденсатор. Без этой детали вращение вала асинхронного электродвигателя самостоятельно не начнётся. В связи с тем, что конденсатор является неотъемлемой частью двухфазного электромотора, такие двигатели ещё называют конденсаторными.
В конструкции однофазного электродвигателя используют только одну рабочую обмотку. Для запуска вращения ротора применяют пусковую катушку индуктивности, которую через конденсатор кратковременно подключают к сети, либо замыкают накоротко. Эти маломощные моторчики используются в качестве электрических приводов некоторых бытовых приборов.
Принцип работы
Функционирование асинхронного двигателя осуществляется на основе свойства трёхфазного тока, способного создавать в обмотках статора вращающее магнитное поле. В рассматриваемых электродвигателях синхронная частота вращения электромагнитного поля связана прямо пропорциональной зависимостью с собственной частотой переменного тока.
Существует обратно пропорциональная зависимость частоты вращения от количества пар полюсов в обмотках статора. Учитывая то, что сдвиг фаз составляет 60º, зависимость частоты вращения ротора (в об/мин.) можно выразить формулой:
В результате действия магнитной индукции на сердечник ротора, в нём возникнет ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает появление электрического тока в замкнутом проводнике. Возникнет сила Ампера, под действием которой замкнутый контур начнёт вращение вдогонку за магнитным полем. В номинальном режиме работы частота вращения ротора немного отстаёт от скорости вращения создаваемого в статоре магнитного поля. При совпадении частот происходит прекращение магнитного потока, ток исчезает в обмотках ротора, вследствие чего прекращается действие силы. Как только скорость вращения вала отстанет, переменными токами магнитных полей, возобновляется действие амперовой силы.
Разницу частот вращения магнитных полей называют частотой скольжения: ns=n1–n2, а относительную величину s, характеризующую отставание, называют скольжением.
С целью уменьшения гармоник ЭДС и сглаживания пульсаций момента силы, стержни короткозамкнутых витков немного скашивают. Взгляните ещё раз на рис. 2 и обратите внимание на расположение стержней, выполняющих роль обмоток ротора, относительно оси вращения.
Скольжение зависит от того, какую механическую нагрузку приложено к валу двигателя. В асинхронных электромоторах изменение параметров скольжения происходит в диапазоне от 0 до 1. Причём в режиме холостого хода набравший обороты ротор почти не испытывает активного сопротивления. S приближается к нулю.
Увеличение нагрузки способствует увеличению скольжения, которое может достигнуть единицы, в момент остановки двигателя из-за перегрузки. Такое состояние равносильно режиму короткого замыкания и может вывести устройство из строя.
Относительная величина отставания соответствующая номинальной нагрузке электрической машины называется номинальным скольжением. Для маломощных электромоторов и двигателей средней мощности этот показатель изменяется в небольших пределах – от 8% до 2%. При неподвижности ротора электродвигателя скольжение стремится к 0, а при работе на холостом ходу оно приближается к 100%.
Во время запуска электромотора его обмотки испытывают нагрузку, что приводит к резкому увеличению пусковых токов. При достижении номинальных мощностей электрические двигатели с короткозамкнутыми витками самостоятельно восстанавливают номинальную частоту ротора.
Обратите внимание на кривую крутящего момента скольжения, изображённую на рис. 3.
Рис. 3. Кривая крутящего момента скольжения
При увеличении крутящего момента коэффициент s изменяется от 1 до 0 (см. отрезок «моторная область»). Возрастает также скорость вращения вала. Если скорость вращения вала превысит номинальную частоту, то крутящий момент станет отрицательным, а двигатель перейдёт в режим генерации (отрезок «генерирующая область»). В таком режиме ротор будет испытывать магнитное сопротивление, что приведёт к торможению мотора. Колебательный процесс будет повторяться, пока не стабилизируется крутящий момент, а скольжение не приблизится к номинальному значению.
Преимущества и недостатки
Повсеместное использование асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами обусловлено их неоспоримыми преимуществами:
Из недостатков можно отметить:
Электродвигатели данного типа имеют приличную механическую характеристику. Несмотря на недостатки, они лидируют по показателям их применения.
Основные технические характеристики
В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики меняются. В рамках данной статьи не ставится задача приведения параметров всех существующих классов двигателей. Мы остановимся на описании основных технических характеристик для электромоторов классов 56 А2 – 80 В2.
В этом небольшом промежутке на линейке моделей эелектромоторов с короткозамкнутыми роторами можно отметить следующее:
Мощность составляет от 0,18 кВт (класс 56 А2) до 2,2 кВт (класс 80 В2).
Ток при максимальном напряжении – от 0,55 А до 5А.
Частота вращения вала для всех моделей из указанного промежутка составляет 3000 об./мин.
Технические характеристики конкретного двигателя указаны в его паспорте.
Подключение
Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.
Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.
Схемы включения понятны из рисунка 4.
Рис. 4. Схемы подключения
Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.
Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть
С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.
Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды
Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.
Устройство
Конструктивно простейшая асинхронная машина представляет собой рамку, вращающуюся в переменном магнитном поле. Однако на практике данная модель носит скорее ознакомительный характер и практического применения в промышленности не имеет. Поэтому на рисунке 1 ниже мы рассмотрим устройство действующей модели асинхронного электродвигателя.
Рис. 1. Устройство асинхронного электродвигателя
Весь двигатель располагается в корпусе станины 7, ее основная задача состоит в обеспечении достаточной механической прочности, способной выдерживать достаточные усилия. Поэтому чем выше мощность агрегата, тем большей прочностью должна обладать станина и корпус.
Внутрь корпуса устанавливается сердечник статора 3, выступающий в роли магнитного проводника для силовых линий рабочего поля. С целью уменьшения потерь в стали магнитопровод выполняется наборным из шихтованных листов, однако в ряде моделей применяется и монолитный вариант.
В пазы сердечника статора укладывается обмотка 2, предназначенная для пропуска электрического тока и формирования ЭДС. Число обмоток будет зависеть от количества пар полюсов на каждую фазу. Также в части уложенных обмоток электродвигатели подразделяются на:
Внутри статора располагается подвижный элемент – ротор 6. По конструкции ротор может быть короткозамкнутым или фазным, на рисунке приведен первый вариант. В состав ротора входит сердечник 5, также набранный из шихтованной стали и беличья клетка 4. Вся конструкция насажена на металлический вал 1, передающий вращение и механическое усилие.
Принцип работы
Заключается в формировании электромагнитного поля вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Для асинхронного электродвигателя данный процесс начинается сразу после подачи напряжения на обмотки статора, после чего в роторе наводится ЭДС взаимоиндукции, индуцирующей вихревые токи в металлическом каркасе. Наличие вихревых токов обуславливает генерацию собственной ЭДС, которая формирует электромагнитное поле ротора. Наиболее эффективный КПД асинхронной электрической машины получается при работе от трехфазной сети.
Конструктивно обмотки статора имеют смещение в пространстве друг относительно друга на 120°, что показано на рисунке 2 ниже:
Рис. 2. Геометрическое смещение фаз в статоре
Такой прием позволяет отстроить магнитное поле рабочих обмоток в строгом соответствии с напряжением трехфазной сети, которое имеет аналогичную разность кривых электрической величины.
Рис. 3. Принцип формирования магнитного потока асинхронного двигателя
На рисунке 3 выше все три фазы изображены в разных цветах для упрощения понимания процесса, также здесь изображена кривая токов, протекающих в фазах асинхронного электродвигателя. Теперь рассмотрим физические процессы в обмотках двигателя для трех позиций показанных на рисунке:
По данному принципу магнитное поле статора вращается в асинхронной электрической машине в течении периода. За счет магнитного взаимодействия с полем статора асинхронного электродвигателя происходит поступательное движение ротора вокруг своей оси. Можно сказать, что ротор пытается догнать поле статора. Именно за счет разницы во вращении полей данный тип электрической машины получил название асинхронной.
Отличие от синхронного двигателя
Наряду с простыми асинхронными электрическими машинами в промышленности также используются и синхронные агрегаты. Основным отличием синхронного двигателя является наличие вспомогательной обмотки на роторе, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, что показано на рисунке 4 ниже.
Рис. 4. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя
Эта обмотка создает магнитный поток, не зависящий от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Поэтому при возбуждении синхронного электродвигателя его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличии от асинхронного типа, где существует разница в движении, которая физически выражается как скольжение и рассчитывается по формуле:
где s – это величина скольжения, измеряемая в процентах, n1 – частота, с которой вращается поле статора, n2 – частота, с которой вращается ротор.
Синхронные электродвигатели применяются в тех устройствах, где важно соблюдать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Также они обеспечивают сохранение рабочих характеристик в момент пуска.
По количеству питающих фаз выделяют:
По типу ротора различают:
По способу подачи питания:
Способы пуска и схемы подключения
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:
Однофазного асинхронного двигателя.
Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:
Трехфазного асинхронного двигателя.
Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:
Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.
Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования
Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.
Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом
Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.
Применение
Область применения асинхронных электродвигателей охватывает достаточно большой сегмент хозяйственной деятельности человека. Поэтому их можно встретить в различных типах станочного оборудования – токарных, шлифовальных, фрезерных, прокатных и т.д. В работе грузоподъемных кранов, талей, тельферов и прочих механизмов.
Их используют для лифтов, горнодобывающей техники, землеройного оборудования, эскалаторов, конвейеров. В быту их можно встретить в вентиляторах, микроволновках, хлебопечках и прочих вспомогательных устройствах. Такая популярность асинхронных электродвигателей обусловлена их весомыми преимуществами.
Преимущества и недостатки
К преимуществам асинхронных электродвигателей, в сравнении с другими типами электрических машин следует отнести:
Основными недостатками асинхронного электродвигателя являются относительно большие пусковые токи и слабый пусковой момент, что в определенной степени ограничивает сферу прямого включения. Также асинхронные электродвигатели обладают низким коэффициентом мощности и сильно зависят от параметров питающего напряжения.