Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором

Электрические машины переменного тока получили широкое распространение за счет регулируемой скорости вращения. Но их запуск сопровождается перегрузками с превышением номинальной мощности до 10 раз, и всегда есть риск перегорания витков. В качестве решения проблемы используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Ниже будет рассмотрена его особенность и конструктивные преимущества.

Виды электрических машин

Электромоторы работают путем преобразования электрического тока в механическую энергию. При работе на статоре возбуждается магнитное поле — электродвижущая сила. Она инициирует вращение вала, к которому присоединяются рабочие механизмы.

По способу возбуждения и приведения в движение существует различие двух видов электродвигателей:

• Синхронные.
  Магнитное поле статора и подвижный механизм вращаются с одной скоростью. Поэтому для запуска достаточно подать номинальный ток на обмотку якоря и статора. Эти двигатели не получили широкого распространения из-за существенного ограничения — невозможность регулирования скорости вращения в процессе работы.
• Асинхронные.
  У данных электромоторов скорость вращения магнитного поля выше по отношению к якорю. Избыточный угловой запас позволяет регулировать крутящий момент работающего агрегата.

Благодаря этому можно использовать асинхронные моторы с несколькими скоростными режимами. Но остается проблема с избытком мощности при запуске.

Как устроен асинхронный электродвигатель

Эти электрические машины отличаются практичностью и возможностью изменять скорость вращения в процессе работы. Но в первичной конструкции они имели два недостатка:

1. Вынужденная подача тока с превышением номинальной мощности для запуска.
2. Эффект скольжения — подача различного тока на обмотку возбуждения статора и якоря.

Первая проблема решена плавным пуском. Со второй сложнее — снижение тока на статоре асинхронного двигателя приводит к спаду и на якоре. Исключением являются электрические машины с независимым возбуждением обмоток. Но их конструкция усложнена и включает дополнительные компоненты, а с ними большее число возможных поломок.

В качестве простого и эффективного решения проблемы избыточной ЭДС на статоре были разработаны асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В отличие от других типов агрегатов, основное назначение имеет статор.

Конструкция короткозамкнутого ротора

Якорь соединен с цепью питания с помощью дополнительного элемента — вся конструкция по строению напоминает беличью клетку. На обоих концах стержня короткозамкнутого ротора установлены токопроводящие замкнутые кольца:

• одно соединено с обмоткой возбуждения;
• другой элемент включен в цепь питания для подачи или токосъема.

Кольца соединены группой стержней, устроены параллельно друг к другу, но не по отношению к плоскости вращения магнитного поля. За проводником идут подшипниковые узлы.

У маломощных асинхронных двигателей якорь замкнут алюминиевыми стержнями. У крупных дорогостоящих агрегатов медные детали с более высокой удельной теплоемкостью. Выпускаются и специальные машины для конкретных задач, у которых проводники состоят из конкретного сплава. Кольца и стержни «беличьей клетки» могут быть выполнены из разных токопроводящих материалов.

Всю область якоря с проводником и подшипниковыми узлами на концах принято называть сердечником. Вокруг облачается листами большой толщины из стали, основное назначение которых в защите мотора. Между сердечником и оболочкой внутри, а также ней и статором расстояния минимальны.

Принцип действия

При запуске асинхронного электродвигателя ток подается на «беличью клетку», проходит через стержни и поступает на обмотку якоря через проводниковое кольцо. Параллельно питание идет на статор, возбуждается электродвижущая сила. Вращающееся магнитное поле начинает действовать на якорь, приводя его в движение. При этом на ток в его обмотке нет никакого влияния из-за непараллельного расположения стержней.

Такая конфигурация асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором обладает несколькими достоинствами:

1. Якорь не испытывает перегрузок.
   Витки не разрушаются при сбоях в питании статора. На случай поступления сверхтоков возросшее сопротивление не деформирует стержни. Их теплоемкость находится значительно выше обычных проводов.
2. Проводниковые стержни надежнее обычной проволоки.
   Питание или токосъем может происходить со сбоями в цепи питания. В случае замыкания якоря «беличьей клеткой» накоротко не будет нанесен существенный урон. Также элемент выдерживает механическое воздействие (чего не хватает щеткам, которые часто разрушаются при падении или неаккуратном обслуживании).
3. Упрощенное обслуживание.
   Кольца и стержни сложно деформировать в результате неаккуратного обращения. Это снижает вероятность повреждения обмотки короткозамкнутого ротора при погрузке, разборе или транспортировке.

Это все делает асинхронный электромотор с короткозамкнутым ротором практичным и доступным. Его использование на производстве снижает себестоимость выпускаемых изделий. А применение в насосах и вентиляторах снижает их цену.

Сопротивление проводника

Для выходной мощности электрической машины и характеристик ее КПД большое значение имеет сопротивление материала. В большинстве двигателей оно значительно снижает эффективность электрического тока. Но с короткозамкнутым ротором сопротивление минимизировано:

1. У стержней между внешними кольцами малая длина, что позволяет снизить потери тока до поступления на обмотку якоря.
2. За счет ранее упомянутой ранее высокой удельной теплоемкости «беличья клетка» не нагревается от перегрузок. Следовательно, ее сопротивление не будет возрастать от нагрева в процессе работы мотора.

С этими качествами КПД асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором достигает 94%.

Типы асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором

Большинство асинхронных двигателей отличаются количеством обмоток якоря, определяющим фазность. Но у агрегатов с короткозамкнутым ротором различное число обмоток на неподвижном статоре.

Однофазные

У таких асинхронных моторов с короткозамкнутым ротором единый проводник из витков вокруг статора, и они представлены маломощными агрегатами до 5 кВт. Предназначены для подключения к однофазной сети питания 220В с частотой 50 Гц. Применение агрегатов встречается в следующих бытовых устройствах: вентиляторы, циркуляционные насосы, мини-компрессоры.

Двухфазные

В этих асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором две одинаковые обмотки статора, расположенные симметрично по отношению друг к другу. Они питаются от одной фазы попеременно. Переключение между обмотками выполняется каждую пол-оборота с помощью фазного конденсатора.

Двухфазные электрические машины с короткозамкнутым ротором бывают мощностью до 50 кВт и предусматривают подключение к однофазной сети. Это преимущественно более мощные аналоги агрегатов с однофазным двигателем, применяемые в сетевых насосных станциях, компрессорах, турбинах.

Трехфазные

Обмотки статора устроены по схеме треугольника, и каждая их часть уложена в пазы под углом 120°. В отличие от двухфазных аналогов, у этих асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором каждая обмотка подключена к отдельной фазе.

Такой принцип действия позволяет собрать электрическую машину высоких характеристик с мощностью 1000 кВт и более. При выходе на номинальную мощность никаких перегрузок не произойдет:

• на каждую обмотку статора идет лишь 1/3 силы переменного тока;
• «беличья клетка» короткозамкнутого ротора обладает большей удельной теплоемкостью по сравнению с щетками.

Эти особенности и делают сверхмощные асинхронные электромоторы с короткозамкнутым ротором практичными и долговечными. На трехфазные машины приходится 90% всех промышленных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Они применяются для больших турбин, обрабатывающих станков, конвейеров и иных рабочих механизмов.

Единственное ограничение таких асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором — возможность работы только от трехфазной сети. У них (как и двухфазных агрегатов) обмотка статора бывает двух видов:

• Явнополюсная.
  Количество обмоток соответствует фазности электрической машины, и они расположены симметрично.
• Неявнополюсная.
  Большое число (12, 15, и более) обмоток статора в симметричной схеме расположения. Визуально полюсов в такой конфигурации нет, но каждая группа подключена к своим фазам (например, если у статора 12 обмоток, к каждой фазе будет подключено по 4).

У неявнополюсных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором группа проводников имеет параллельное подключение к своей фазе. В результате на каждую приходится минимальная нагрузка и на практике проявляются значимые достоинства:

• отсутствие перегрузок на одной из обмоток;
• высокий КПД более 90%.

Даже в случае механического повреждения или перегрева одной из обмоток произойдет лишь небольшое падение скорости вращения, а не резкая остановка оборудования. Оператор сразу же заметит дефектную работу и примет меры.

Способы возбуждения ЭДС

В зависимости от схемы питания асинхронного электромотора с короткозамкнутым ротором проводники возбуждаются двумя основными способами:

• Параллельно.
  Ток подается от одного источника, но на участке цепи между питанием и обмоткой статора присутствует усилитель. Он необходимо для повышения тока, в противном случае скорость вращения будет одинаковой. У двухфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором функцию усилителя и фазного конденсатора может выполнять одно устройство.
• Независимо.
  Обмотка статора и короткозамкнутого ротора возбуждается разными источниками питания с отличным током. Такой способ запуска более надежный, т.к. на случай сбоев с питанием на якоре, действующее магнитное поле поддержит его движение на некоторый момент. Если же отключается питание у обмотки статора, короткозамкнутый ротор немного провернется от питания якоря и только потом остановится. Это исключает резкую остановку асинхронной машины и поломку рабочих механизмов.

У трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором каждая обмотка статора со схемой треугольника по умолчанию возбуждается параллельно. Но можно сделать последовательную подачу тока в каждой фазе, что создаст некоторый эффект плавного пуска.

Такое включение можно организовать, когда запуск рабочих механизмов не регламентирован, и нужно решить проблему избыточного тока. Последовательное пофазное питание обмоток асинхронного электромотора возможно лишь при независимом возбуждении магнитного поля статора.

Практические преимущества

У короткозамкнутого ротора выше удельное сопротивление. Благодаря этому обмотка якоря выдерживает многократные перегрузки при включении, что дает много преимуществ:

1. Можно без риска использовать сверхмощные асинхронные машины, у которых пусковая нагрузка в десятки выше номинальной мощности.
2. Возможен грубый запуск и использование устройства плавного пуска зависит лишь от требований к эксплуатации рабочих механизмов (конвейеров, рабочих колес насосов и др.).
3. При сбоях на источнике питания первой перегорит обмотка статора, которую проще заменить.

Эти основные достоинства делают асинхронный электромотор с короткозамкнутым ротором более предпочтительным по сравнению с аналогами иной конфигурации.