Содержание
Асинхронный двигатель с фазным ротором
Фазный ротор
Асинхронный двигатель с фазным ротором – это двигатель, который можно регулировать с помощью добавления в цепь ротора добавочных сопротивлений. Обычно такие двигатели применяются при пуске с нагрузкой на валу, так как увеличение сопротивления в цепи ротора, позволяет повысить пусковой момент и уменьшить пусковые токи. Этим асинхронный двигатель с фазным ротором выгодно отличается от АД с короткозамкнутым ротором.
Статор (3) выполнен, так же как и в обычном асинхронном двигателе, он представляет из себя полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, в который уложена трехфазная обмотка.
Ротор (4) по сравнению с короткозамкнутым, представляет из себя более сложную конструкцию. Он состоит из сердечника в который уложена трехфазная обмотка, аналогично обмотке статора. Отсюда название двигателя. Если двигатель двухполюсный, то обмотки ротора смещены геометрически друг относительно друга на 120.
Эти обмотки соединяются с тремя контактными кольцами (2), расположенными на валу (5) ротора. Контактные кольца выполнены из латуни или стали, причем друг от друга они изолированы. С помощью нескольких металлографитовых щеток (обычно двух), которые расположены на щеткодержателе (1) и прижимаются пружинами к кольцам, в цепь вводятся добавочные сопротивления. Выводы обмоток соединяются по схеме «звезда».
Добавочное сопротивление вводится только при пуске двигателя. Причем им обычно служит ступенчатый реостат, сопротивление которого уменьшают с увеличением оборотов двигателя. Таким образом пуск двигателя осуществляется тоже ступенчато. После того, как разгон закончился и двигатель вышел на естественную механическую характеристику, обмотку ротора закорачивают. Для того, чтобы сохранить щетки и снизить потери на них, в двигателях с фазным ротором существует специальное устройство, которое поднимает щетки и замыкает кольца. Таким образом, удается повысить еще и КПД двигателя.
Добавочное сопротивление позволяет главным образом осуществить пуск двигателя под нагрузкой, работать с ним длительное время двигатель не может, так как механические характеристики слишком мягкие и работа двигателя на них нестабильна.
Для того чтобы автоматизировать пуск двигателя, в обмотку ротора включают индуктивность. В момент пуска, частота тока в роторе наибольшая, а значит и индуктивное сопротивление максимально. Затем, при разгоне двигателя, частота, как и сопротивление уменьшаются, и двигатель постепенно начинает работать в обычном режиме.
За счет усложнения своей конструкции, асинхронный двигатель с фазным ротором, обладает хорошими пусковыми и регулировочными характеристиками. Но по той же причине, его стоимость возрастает приблизительно в 1.5 по сравнению с обычным АД, кроме того увеличивается масса, размеры и как правило, уменьшается надежность двигателя.
Какак разница между короткозамкнутым и фазным ротором
Ротор — вращающаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела или отдающие её рабочему телу.
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.
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.
Ранее ЭлектроВести писали, что в Атлантическом океане первый в мире телескопический ветрогенератор обеспечивает электроэнергией 5000 домохозяйств на одном из Канарских островов — Гран-Канария.
По материалам: electrik.info.
Двигатели трехфазные, двухфазные и однофазные – как они устроены, для чего используются
Трехфазные, двухфазные и однофазные двигатели – как они устроены, для чего используются
2021-05-21
- Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
- Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором
- Однофазный двигатель
- Как запустить однофазный двигатель?
- Двухфазный двигатель
Основная идея однофазных и трехфазных электродвигателей довольно проста. Они преобразуют электрическую энергию в механическую за счет вращения вала.
Это возможно благодаря использованию магнитного поля. Очевидно, что в зависимости от приложения для запуска вращения необходимо использовать другое решение.
Асинхронные трехфазные двигатели с короткозамкнутым ротором или фазным ротором наиболее распространены в промышленности. Это в основном связано с их простой конструкцией, простотой в эксплуатации и способностью достигать гораздо более высокой выходной мощности, чем однофазные двигатели . Они используются в компрессорах, токарных, фрезерных станках и многих других устройствах.
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором состоит из ротора и статора с зубьями и пазами. Обмотки размещены в пазах. В случае ротора это алюминиевые или медные стержни, соединяющие два кольца вместе. Таким образом, они образуют форму клетки. Стержни, из которых построена клетка, установлены наклонно, что обеспечивает равномерное вращение.
Асинхронные двигатели также называют асинхронными двигателями. Это связано с тем, что фактическая скорость двигателя всегда меньше его синхронной скорости.
Трехфазные двигатели в предложении TME
Основными недостатками асинхронных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются высокий пусковой ток и низкий пусковой момент. Асинхронные двигатели потребляют ток, в пять-восемь раз превышающий номинальный ток. Это вызывает нагрев обмоток, что является негативным явлением. Кроме того, такое высокое потребление тока может вызвать колебания напряжения в сети. По этой причине двигатели мощностью более 4 кВт нельзя даже напрямую подключать к сети. Поэтому можно использовать несколько методов запуска.
Одним из них является использование пускателя звезда-треугольник. Это означает, что при пуске в течение определенного периода момент ниже, а напряжение на каждой обмотке равно фазному напряжению. Когда двигатель набирает скорость, переключатель звезда-треугольник меняет соединения обмоток, так что начало одной обмотки соединяется с концом другой, нейтральный провод не используется, и двигатель работает на номинальной мощности.
Второй способ безопасного запуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором — использование устройства «мягкого пуска». Представляет собой электронную схему с использованием тиристоров и симисторов, предназначенную для плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотки. В современных двигателях это решение предпочтительнее классического пускателя по схеме звезда-треугольник.
Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором
Асинхронный двигатель с фазным ротором является вторым по популярности типом трехфазного двигателя. Его конструкция более сложная, что выливается в более высокие затраты, связанные с приобретением и эксплуатацией данного типа мотора. При этом три обмотки соединяются в звезду, т. е. одинаковые концы обмоток (обычно обозначаемые буквами U, V, W) соединяются в общую точку. Остальные три конца (К, L, М) соединены с контактными кольцами со щетками. Концы этих обмоток выведены наружу, что позволяет подключить к обмоткам дополнительные цепи, обеспечивающие, например, плавный пуск.
Асинхронные двигатели с фазным ротором можно запустить с помощью дополнительных резисторов на стороне ротора. Они позволяют нам уменьшить ток ротора и, следовательно, уменьшить потребляемый ток. Это решение используется все реже и реже из-за высокой стоимости и сложности конструкции.
Другим решением является использование инвертора. Это решение тоже недешевое, но оно открывает большие возможности. Это позволяет точно контролировать скорость вращения двигателя. Инверторы также используются с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, а это означает, что более дорогие двигатели с фазным ротором становятся менее распространенными.
Для запуска двигателя необходимо создать вращающееся магнитное поле. Трехфазный двигатель создает вращающееся магнитное поле. Это возможно из-за фазового сдвига на 120 градусов. Иначе обстоит дело с однофазными двигателями. Вам нужно сгенерировать фазовый сдвиг для запуска.
Однофазный двигатель
Однофазные двигатели редко используются в промышленности, но обычно используются в домашнем хозяйстве, например, в бытовых приборах или электроинструментах.
Это связано с тем, что большинству этих устройств не требуется слишком много энергии, и они должны быть просты в использовании. Поэтому они должны работать при подключении к обычной электрической розетке, без необходимости иметь трехфазное электроснабжение. Однофазные двигатели обычно обеспечивают мощность примерно до 2 кВт, что достаточно для большинства бытовых приборов.
Однофазные двигатели в наличии в TME
Как запустить однофазный двигатель?
Однофазный двигатель имеет конструкцию, аналогичную трехфазному двигателю . Однако, поскольку он имеет только одну обмотку, при подаче напряжения не создается вращающееся магнитное поле, и поэтому ротор не движется. Однако, если вы переместите вал двигателя, он будет вращаться сам по себе. С другой стороны, перемещение вала вручную небезопасно и не удобно. Следовательно, для запуска используется конденсатор и дополнительная обмотка, так называемая пусковая обмотка.
Она чаще всего смещена на 90 градусов от основной обмотки. Пусковая обмотка используется только для запуска двигателя. Когда двигатель достигает своей номинальной скорости, его необходимо отключить. В противном случае он перегреется и сгорит.
Двухфазный двигатель
Очень редким типом электродвигателя является двухфазный асинхронный двигатель . Когда-то они встречались в промышленных растворах, хотя и там были редкостью. В настоящее время они практически не используются и расцениваются как диковинки. Двухфазные двигатели устроены аналогично однофазным двигателям и работают по тому же принципу. Основное отличие состоит в том, что роль пусковой обмотки, встречающейся в однофазных двигателях, выполняет симметричная основной обмотка, сдвинутая на 90 градусов. Чтобы получить фазовый сдвиг, близкий к 90 градусам, необходимо, как и в случае однофазных двигателей , использовать конденсатор с правильным значением емкости. Кроме того, требуется двухфазная система, что нецелесообразно — большинство нагрузок питаются от однофазных или трехфазных источников питания.
По этой причине двухфазные двигатели не получили большого распространения. В настоящее время они практически полностью заменены однофазными и трехфазными двигателями, которые гораздо более практичны и универсальны.
Однофазные и трехфазные двигатели имеют очень широкий спектр применения и поэтому имеют разные параметры. Чтобы найти двигатель, подходящий для вашего проекта, ознакомьтесь с ассортиментом однофазных и трехфазных электродвигателей TME. Наш широкий ассортимент продукции позволяет легко найти двигатель для промышленной и бытовой техники. Наше предложение адресовано как индивидуальным, так и бизнес-клиентам, поэтому в нашем ассортименте вы обязательно найдете то, что ищете.
Поделитесь этой статьей
Что такое трехфазный двигатель и как он работает?
Трехфазные двигатели (также обозначенные как трехфазные двигатели) широко используются в промышленности и стали рабочей лошадкой многих механических и электромеханических систем благодаря своей относительной простоте, проверенной надежности и длительному сроку службы.
Трехфазные двигатели являются одним из примеров типа асинхронного двигателя, также известного как асинхронный двигатель, который работает с использованием принципов электромагнитной индукции. Хотя существуют также однофазные асинхронные двигатели, эти типы асинхронных двигателей реже используются в промышленности, но широко используются в быту, например, в пылесосах, компрессорах холодильников и кондиционерах, благодаря использованию однофазных асинхронных двигателей. фазное питание переменного тока в домах и офисах. В этой статье мы обсудим, что такое трехфазный двигатель и опишем, как он работает. Чтобы получить доступ к другим ресурсам о двигателях, обратитесь к одному из наших других руководств по двигателям, посвященным двигателям переменного тока, двигателям постоянного тока, асинхронным двигателям, или к более общей статье о типах двигателей. Полный список связанных статей по двигателям находится в разделе связанных статей.
Что такое трехфазное питание?
Чтобы разобраться в трехфазных двигателях, полезно сначала разобраться с трехфазным питанием.
При производстве электроэнергии переменный ток (AC), создаваемый генератором, характеризуется тем, что его амплитуда и направление меняются со временем. Если графически показать амплитуду по оси y и время по оси x, зависимость между напряжением или током и временем будет напоминать синусоиду, как показано ниже:
Рисунок 1 – Однофазный переменный ток
Изображение предоставлено: Фуад А. Саад/Shutterstock.com
Электроэнергия, подаваемая в дома, является однофазной, а это означает, что имеется один проводник с током, а также соединение с нейтралью и соединение с землей. В трехфазном питании, которое используется в промышленных и коммерческих условиях для запуска более крупного оборудования, требующего большей мощности, есть три проводника электрического тока, каждый из которых работает с разностью фаз 120 o на расстоянии 2π/3 радиана друг от друга. Если посмотреть графически, каждая фаза будет отображаться как отдельная синусоида, которая затем объединяется, как показано на изображении ниже:
Рисунок 2 – Трехфазная электроэнергия со сдвигом фаз 120
o между каждой фазой
Изображение предоставлено: teerawat chitprung/Shutterstock.
com
Трехфазные двигатели питаются от электрического напряжения и тока, которые генерируются как трехфазная входная мощность и затем используются для производства механической энергии в виде вращающегося вала двигателя.
Что такое трехфазный двигатель?
Трехфазные двигатели представляют собой тип двигателя переменного тока, который является конкретным примером многофазного двигателя. Эти двигатели могут быть либо асинхронными двигателями (также называемыми асинхронными двигателями), либо синхронными двигателями. Двигатели состоят из трех основных компонентов – статора, ротора и корпуса.
Статор состоит из ряда пластин из легированной стали, вокруг которых намотана проволока, образующая индукционные катушки, по одной катушке на каждую фазу источника электроэнергии. Обмотки статора питаются от трехфазного источника питания.
Ротор также содержит индукционные катушки и металлические стержни, соединенные в цепь. Ротор окружает вал двигателя и является компонентом двигателя, который вращается для создания выходной механической энергии двигателя.
Корпус двигателя удерживает ротор вместе с валом двигателя на наборе подшипников для уменьшения трения вращающегося вала. Корпус имеет торцевые крышки, удерживающие опоры подшипников, и вентилятор, прикрепленный к валу двигателя, который вращается при вращении вала двигателя. Вращающийся вентилятор всасывает окружающий воздух снаружи корпуса и нагнетает его через статор и ротор для охлаждения компонентов двигателя и рассеивания тепла, выделяемого в различных катушках из-за сопротивления катушки. Корпус также обычно имеет приподнятые механические ребра снаружи, которые служат для дальнейшего отвода тепла к наружному воздуху. Торцевая крышка также обеспечивает место для размещения электрических соединений для трехфазного питания двигателя.
Как работает трехфазный двигатель?
Трехфазные двигатели работают по принципу электромагнитной индукции, который был открыт английским физиком Майклом Фарадеем еще в 1830 году. Фарадей заметил, что когда проводник, такой как катушка или петля провода, помещается в изменяющееся магнитное поле, возникает индуцированная электродвижущая сила или ЭДС, которая генерируется в проводнике.
Он также заметил, что ток, протекающий в проводнике, таком как провод, будет генерировать магнитное поле и что магнитное поле будет меняться по мере того, как ток в проводе изменяется либо по величине, либо по направлению. Это выражается в математической форме, связывая ротор электрического поля со скоростью изменения во времени магнитного потока:
Эти принципы составляют основу для понимания того, как работает трехфазный двигатель.
Рисунок 3 ниже иллюстрирует закон индукции Фарадея. Обратите внимание, что наличие ЭДС зависит от движения магнита, что приводит к существованию изменяющегося магнитного поля.
Рисунок 3 – Принцип электромагнитной индукции
Изображение предоставлено: Фуад А. Саад/Shutterstock.com
Для асинхронных двигателей, когда статор питается от трехфазного источника электроэнергии, каждая катушка создает магнитное поле, полюса которого (северный или южный) меняют положение при колебаниях переменного тока в течение полного цикла.
Поскольку каждая из трех фаз переменного тока сдвинута по фазе на 120 или , магнитная полярность трех катушек не одинакова в один и тот же момент времени. Это условие приводит к тому, что статор создает то, что известно как RMF или вращающееся магнитное поле. Поскольку ротор находится в центре катушек статора, изменяющееся магнитное поле статора индуцирует ток в катушках ротора, что, в свою очередь, приводит к созданию ротором противоположного магнитного поля. Поле ротора стремится выровнять свою полярность с полем статора, в результате чего к валу двигателя прикладывается чистый крутящий момент, и он начинает вращаться, стремясь привести свое поле в соответствие. Обратите внимание, что в трехфазном асинхронном двигателе нет прямого электрического соединения с ротором; магнитная индукция вызывает вращение двигателя.
У трехфазных асинхронных двигателей ротор стремится сохранить соосность с RMF статора, но никогда этого не достигает, поэтому асинхронные двигатели также называют асинхронными двигателями.
Явление, из-за которого скорость ротора отстает от скорости RMF, известно как скольжение и выражается как:
, где N r — скорость ротора, а N s — синхронная скорость вращающегося поля (RMF) статора.
Синхронные двигатели работают аналогично асинхронным двигателям, за исключением того, что в случае синхронного двигателя поля статора и ротора синхронизированы, так что RMF статора заставит ротор вращаться с точно такой же скоростью вращения (в синхронизация – поэтому скольжение равно 0). Для получения дополнительной информации о том, как это достигается, обратитесь к этим статьям о реактивных двигателях и бесщеточных двигателях постоянного тока. Обратите внимание, что синхронные двигатели, в отличие от асинхронных двигателей, не должны питаться от сети переменного тока.
Контроллеры двигателей для трехфазных двигателей
Скорость, создаваемая трехфазным двигателем переменного тока, зависит от частоты сети переменного тока, поскольку она является источником RMF в обмотках статора.
Таким образом, некоторые контроллеры двигателей переменного тока работают, используя входной ток переменного тока для генерации модулированного или регулируемого входного сигнала частоты для двигателя, тем самым контролируя скорость двигателя. Другой подход, который можно использовать для управления скоростью двигателя, заключается в изменении скольжения (описано ранее). Если скольжение увеличивается, скорость двигателя (то есть скорость ротора) уменьшается.
Чтобы узнать больше о подходах к управлению двигателем, ознакомьтесь с нашей статьей о контроллерах двигателей переменного тока.
Резюме
В этой статье представлено краткое обсуждение того, что такое трехфазные двигатели и как они работают. Чтобы узнать больше о двигателях, ознакомьтесь с нашими соответствующими статьями, перечисленными ниже. Для получения информации о других продуктах обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть подробную информацию о конкретных продуктах.