Устройство, принцип работы и схема подключения асинхронного двигателя с фазным ротором. Асинхронный двигатель с фазным ротором

Ну, раз мне предстояло разбирать сгоревший электродвигатель, то я решил заодно написать статью об асинхронном двигателе (АД), его применении и устройстве.

Описание фазного ротора

Асинхронный двигатель с фазным ротором широко применяется как в быту, так и на производстве. Ниже рассмотрено, что из себя представляет АД, каковы его конструкция и принцип функционирования, какую схему использовать для подключения и пуска.

Асинхронную машину изобрели в 1888 г., когда практически одновременно Н. Тесла запатентовал схему электромотора, а Г. Феррарис написал теоретическую статью о принципах функционирования АД. Год спустя похожая установка была изобретена и русским ученым О. Доливо-Добровольским, в которой использовалась трехфазная обмотка.

Эти изобретения стали революционными в мировой промышленности, и по сей день многофазные АД применяются в большинстве сфер жизни: от бытовых задач до массивных производств. Революция произошла благодаря конструкции мотора, обеспечивающей большую эффективность работы. Отныне все действия на производствах осуществлялись быстрее и с меньшими затратами.

К сведению! Именно прототип Доливо-Добровольского дал начало всем существующим сегодня АД.

Трехфазный АД Доливо-Добровольского

Технические параметры

Асинхронная машина обладает следующими техническими характеристиками:

• габариты и мощность. Они должны равняться приведенным в техрегламенте;
• степень защиты. При эксплуатации в разных условиях требуется различный уровень защиты. Машина может работать на улице или в помещениях, в зависимости от этого требуется определенный уровень защиты;
• хорошая степень изоляции. Нужно, чтобы мотор был устойчив нагреванию;
• вид. Существуют различные типы асинхронных машин, предназначенные для эксплуатации в экстремальных погодных условиях, при очень низких или высоких температурах (в холодной местности на севере или на жаркой территории на юге). Необходимо, чтобы устройство двигателя соответствовало окружающим условиям;
• абсолютное соответствие режимам работы (на практике и в теории);
• система охлаждения, работающая согласно конкретному режиму;
• громкость работы при холостом включении не должна превышать второй класс.

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.

Схема подключения

При подключении к току начинают работать реле времени. Контакты размыкаются. При нажатии тумблера происходит пуск.

Чтобы подключить АД нужно правильно обозначить концы и начала обмоток фазы.

Устройство двигателя

Главными постоянными являются статор и ротор. Статор представляет собой цилиндр, состав –листы электротехнической стали, в цилиндр уложена трёхфазная обмотка. Она состоит из обмоточной проволоки. Которые соединены между собой в виде звезды или треугольника в зависимости от напряжения.

Ротор – основная вращающаяся часть двигателей. Он в зависимости от расположения может быть внешним, внутренним. Данный элемент состоит из стальных листов. Пазы сердечника наполнены алюминием, который имеет стержни, содержащие торцевые кольца. Они могут быть латунными или стальными, каждое из них изолировано слоем лака. Между трёхфазным статором и ротором образуется зазор. Регулирование размер зазора от 0,30 –0,34 мм в устройствах с небольшим напряжением, 1,0–1,6 мм в устройствах с большим постоянным электрическим напряжением. Конструкция имеет название беличья клетка. Для мощных двигателей используется медь в сердечнике. Контактор начинает действие, двигатель заводится.

Существует добавочный резистор в цепи обмотки вращающей части машины, крепится с помощью металлографитных щеток. Щетки обычно используются две, расположены на щеткодержателе. В приводах кранах и центрифугах для регулирования роботы применяется конический подвижный ротор. Асинхронные двигатели с фазным ротором незаменимы при технических требованиях мощного пускового момента. Это могут быть такие механизмы, как кран, мельница, лифт.

Схема переключения электрической цепи со звезды на треугольник

Сам корпус чаще всего изготавливают, либо из алюминиевого сплава, либо из чугуна. В моем примере АОЛ 22-4 имеет алюминиевый корпус с алюминиевой станиной.

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.

Чтобы понять, как работает асинхронный двигатель с фазным ротором, необходимо внимательно изучить особенности его пуска. При запуске установки ее ротор параллельно переходит из состояния покоя в медленное и равномерное вращение. При этом система уравновешивает момент сил сопротивления посредством собственного вала.

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.

Добавочное сопротивление служит для запуска двигателя с нагрузкой на его валу. Как только достигаются номинальные обороты вала, сопротивление отключается за ненадобность, а кольца закорачиваются. В противном случае работа электродвигателя будет нестабильной, возникнут потери КПД.

Плюсы и минусы

В последнее время асинхронные агрегаты пользуются большой популярностью. Она связана с массой преимуществ, которыми они обладают. В их числе:

1. Высокие значения при начальном вращающем моменте.
2. Способность принимать любые механические перегрузки без существенного изменения КПД или нарушения стабильной работы установки. Даже если в системе возникают разнообразные перегрузки, агрегат продолжает функционировать с заданной скоростью и практически не отклоняется от базового режима.
3. Сниженный пусковой ток. В отличие от других асинхронных моделей, например, с короткозамкнутым ротором, у этих двигателей сравнительно низкие показатели пускового тока.
4. Возможность полной автоматизации работы.
5. Простота конструкции.
6. Простая схема запуска.
7. Сравнительно невысокая цена.
8. Отсутствие необходимости сложного и дорогостоящего обслуживания.

Кроме множества плюсов у двигателей этого типа имеются и недостатки. К ключевым минусам относят довольно крупные габариты, из-за которых монтаж и дальнейшая эксплуатация системы усложняются, а также сниженный КПД по сравнению со многими аналогами.

По последнему показателю устройства с короткозамкнутым ротором более продуктивные.