Трехфазный асинхронный электродвигатель (АД) с короткозамкнутым ротором

Асинхронный двигатель – вид электрического мотора, в котором вращательное поле ротора не статично, а всегда следует магнитному полю статора. За счет взаимодействия двух вращающихся полей и силы Лоренца создается крутящий момент, который приводит механизм в действие. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором получил широкое распространение в силу ряда причин. Как и большинство электродвигателей, он может использоваться как генератор и как двигатель. Секрет его популярности заключается в простоте конструкции и экономичности изготовления.

Как устроен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Оборудование представляет собой трехфазный электродвигатель, в котором ротор движется либо вперед, либо назад по направлению к вращательному полю статора. Если ротор вращается медленнее, чем поле вращения статора, это называется работой двигателя. В противоположном случае асинхронная машина используется в качестве генератора.

Асинхронный двигатель, как и любой другой электродвигатель, имеет статор и ротор. Статор всегда изготавливается из пакетов листового металла, толщина которого обычно составляет 0,5 мм. Чем тоньше электролитический лист, тем меньше потери на вихревые токи в электродвигателе и тем выше его КПД. Статор состоит из трех или количества, кратного 3, катушек и имеет обмотки из медной проволоки. На них подается трехфазный ток, поэтому они создают вращающееся магнитное поле. Короткозамкнутый ротор состоит из ячейки из металлических стержней, обычно из меди или алюминия, которые замыкаются на своих концах с помощью кольца из того же металла. Это наиболее распространенный тип асинхронного двигателя. В короткозамкнутом роторе проводящие стержни имеют низкое сопротивление.

Асинхронный двигатель работает непосредственно на трехфазном токе. Для небольших мощностей до 2 кВт асинхронный двигатель также может быть подключен к сети переменного тока через конденсатор. При более высокой мощности для этого необходим частотный преобразователь.

Как работает асинхронный двигатель

Статор асинхронного двигателя имеет обмотки из медной проволоки, которые подключены к трехфазной трехфазной сети переменного тока с соответствующими напряжениями и частотами. При этом через три катушки проходят синусоидальные токи одинаковой амплитуды. Амплитуды тока в катушках смещены друг от друга на 120°. Поскольку катушки статора смещены на такое же расстояние и расположены по кругу, создается магнитное поле, которое вращается вокруг оси ротора с частотой приложенного напряжения.

Разница между скоростью статора и ротора также называется скольжением (s) и рассчитывается по формуле:

s = 100% * ( ns / n1) = 100% * (n1 — n2) / n1,

• где ns – частота скольжения;
• n1, n2 – частоты вращений статорных и роторных магнитных полей.

Когда скорость ротора равна скорости статора, возникает нулевое скольжение, и асинхронный двигатель не обеспечивает положительного крутящего момента. При работе генератора ротор вращается быстрее, чем вращающееся поле статора. Разница в частоте вращения создает отрицательный крутящий момент, который ротор пытается затормозить.

На начальной скорости вращения ротора магнитный поток в проводящих стержнях ротора постоянен, поскольку площадь не меняется. Никакого напряжения индуцироваться не будет. В результате крутящий момент будет равен нулю. Однако если ротор вращается медленнее, чем вращательное поле статора, магнитный поток также изменяется. Это приводит к появлению индуцированного напряжения, которое вызывает ток в проводящих стержнях. В результате сам ротор создает магнитное поле.

Вращательное поле ротора взаимодействует с вращательным полем статора, в результате чего на ротор действует сила Лоренца, и возникает крутящий момент. Чем меньше разница между частотой вращения ротора и вращающегося поля, тем меньше изменение магнитного потока. Это приводит к снижению силы Лоренца и замедлению ротора.

Таким образом, скольжение является показателем снижения частоты вращения ротора, которая зависит от момента нагружения. Асинхронные двигатели также могут работать как генераторы.

При запуске асинхронный двигатель имеет относительно небольшой крутящий момент. Существуют различные процедуры регулирования скорости. Это зависит от числа пар полюсов, частоты питающего напряжения, контроля показателя скольжения и ослабления поля. Во всех процедурах соотношение крутящего момента и скорости изменяется.

Важно отметить, что вы не можете просто подключить двигатель к трехфазной сети, и он сразу же заработает. Пусковой ток асинхронного двигателя очень высок. Он может более чем в 8 раз превышать номинальный. Поэтому используются специальные меры предосторожности. Запуск двигателя без них может привести не только к срабатыванию предохранителей, но и к серьезной перегрузке электросети. Поэтому в высокопроизводительных асинхронных двигателях используется классическая схема "звезда-треугольник", при которой мощность и крутящий момент уменьшаются на ⅔ при запуске. Переключение со схемы "звезда" в режим "треугольник" происходит только после разгона.

Применение инверторов, частотно-регулируемых преобразователей, позволяет запускать асинхронный двигатель с учетом нагрузки. Другой способ пуска – это запуск с подставки. Для этого в обмотки статора включаются пусковые резисторы. Как только двигатель будет запущен, пусковые резисторы будут соединены.

Плюсы и минусы асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Простая конструкция по сравнению с поршневыми и синхронными двигателями со скользящим кольцом делает их экономичными и очень прочными. Такие модели отличаются длительным сроком службы и хорошо справляются даже с низкими или высокими температурами. Кроме того, поскольку контактные кольца отсутствуют, техническое обслуживание значительно проще. Технические специалисты постоянно называют преимуществами асинхронной машины:

• простую конструкцию;
• высокую эксплуатационную надежность;
• низкие затраты на производство техническое обслуживание.

Асинхронный двигатель может быть изготовлен относительно легко, поэтому идеально подходит именно для больших объемов производства.

Другой особенностью асинхронного двигателя является отсутствие коммутаторов и щеток. Последнее особенно актуально на практике, поскольку отсутствие щеток снижает износ и, кроме того, предотвращает искрение, что делает асинхронный двигатель наиболее подходящим для использования во взрывоопасных средах.

Вместе с тем у таких моделей низкий крутящий момент на низких оборотах и КПД хуже, чем у двигателей с контактными кольцами. Однако эти недостатки могут быть частично компенсированы использованием преобразователя частоты. Инвертор обеспечивает высокий крутящий момент при высокой эффективности в верхнем диапазоне оборотов, но требует более высоких производственных затрат. Кроме того, тепло, выделяемое в роторе при высокой мощности, создает дополнительные сложности.

Другой проблемой при запуске асинхронных двигателей является так называемое застревание ротора в диапазоне низких оборотов, что сопровождается сильным шумом. Причину этого следует искать в пазах пакетов из листового металла. Если в корпусе ротора и статора имеется одинаковое количество канавок, то пульсации в магнитном потоке могут взаимодействовать друг с другом и приводить к остановке двигателя. Однако этой проблемы можно избежать, установив пазы в корпусе ротора под углом к оси вала.

Сфера применения

Асинхронный двигатель в настоящее время является наиболее широко используемой формой электродвигателя. Простая конструкция в сочетании с высокой степенью надежности делают его идеальным выбором для применения практически во всех областях. Спектр применения варьируется:

• электровозы;
• электроприводы промышленных станков;
• автомобилестроение;
• турбины;
• насосы;
• вентиляторы;
• бытовая техника.

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором в зависимости от количества фаз может быть двух видов:

• однофазные – устройства малой мощности, в статоре находится однофазная обмотка с выводами к зажимам С1 и С2 и В1 и В2;
• трехфазные – рабочие обмотки статора такого агрегата сдвинуты относительно друг друга, поэтому при включении в сеть магнитные поля смещаются в пространстве.

Способы подключения

Статорные обмотки двигателя можно подключать по одной из схем:

• “треугольник”,
• “звезда”.

Вращение по часовой стрелке – это прямое вращение двигателя, а вращение против часовой стрелки – обратное. Для реализации прямого и обратного вращения двигателя два трехфазных провода источника питания замыкаются друг на друга. Прямое и обратное вращение широко используется, например, в кранах, лебедках, токарных станках, лифтах и почти всех машинах, которые должны выполнять возвратно-поступательное движение.

Технические характеристики

В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики различаются. Данные можно увидеть на заводской табличке, прикрепленной к каждому устройству:

• номинальное напряжение;
• коэффициент мощности;
• номинальный ток;
• номинальная частота.

Если номинальный крутящий момент не указан на заводской табличке он может быть рассчитан с учетом:

• Р = номинальная мощность;
• n = скорость вращения в оборотах в минуту.

Помимо статоров (подставок) и роторов (роторов) для вашего высокочастотного асинхронного двигателя, мы разрабатываем и производим для вас индивидуальные электроприводы в соответствии с вашими требованиями и представлениями.

🞢