Мощность асинхронного электродвигателя 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: n_s=n₁–n₂, а относительную величину s, характеризующую отставание, называют скольжением.

s = 100% * ( n_s / n₁) = 100% * (n₁ — n₂) / n_{1 ,} где n_s – частота скольжения; n_1, n₂ – частоты вращений статорных и роторных магнитных полей соответственно.

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:

• стабильностью работы на оптимальных нагрузках;
• высокой надёжностью в эксплуатации;
• низкие эксплуатационные затраты;
• долговечностью функционирования без обслуживания;
• сравнительно высокими показателями КПД;
• невысокой стоимостью, по сравнению с моделями на основе фазных роторов и с другими типами электромоторов.

Из недостатков можно отметить:

• высокие пусковые токи;
• чувствительность к перепадам напряжений;
• низкие коэффициенты скольжений;
• необходимость в применении устройств, таких как преобразователи частоты, пусковые реостаты и др., для улучшения характеристик электромотора;
• ЭД с короткозамкнутым ротором нуждаются в дополнительных коммутационных управляющих устройствах, в случаях, когда возникает необходимость регулировать скорость.

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.

КПД от 66% до 83%.

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.

1. Виды электродвигателей

Наибольшее распространение имеет трехфазный асинхронный электродвигатель. Электродвигатели постоянного тока и синхронные применяются редко.

Большинство электрифицированных машин нуждаются в приводе мощностью от 0,1 до 10 кВт, значительно меньшая часть — в приводе мощностью в несколько десятков кВт. Как правило, для привода рабочих машин используются короткозамкнутые трехфазные электродвигатели. По сравнению с фазным такой электродвигатель имеет более простую конструкцию, меньшую стоимость, большую надежность в эксплуатации и простоту в обслуживании, несколько более высокие эксплутационные показатели (коэффициент мощности и коэффициент полезного действия), а при автоматическом управлении требует простой аппаратуры. Недостаток короткозамкнутых электродвигателей — относительно большой пусковой ток. При соизмеримости мощностей трансформаторной подстанции и электродвигателя его пуск сопровождается заметным снижением напряжения сети, что усложняет как пуск самого двигателя, так и работу соседних токоприемников.

Наряду с трехфазными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями основного исполнения применяются также отдельные модификации этих двигателей: с повышенным скольжением, многоскоростные, с фазным ротором, с массивным ротором и т. д. Электродвигатели с фазным ротором применяют и в тех случаях, когда мощность питающей сети недостаточна для пуска двигателя с короткозамкнутым ротором.

Механические характеристики асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором в значительной мере зависят от формы и размеров пазов ротора, а также от способа выполнения роторной обмотки. По этим признакам

Рис. 1. Кривые моментов M = f(S) асинхронных электродвигателей

различают электродвигатели с нормальным ротором (нормальная беличья клетка), с глубоким пазом и с двумя клетками на роторе. Конструкция ротора короткозамкнутых асинхронных электродвигателей общего назначения мощностью свыше 500 Вт предопределяет явление вытеснения тока в обмотке, эквивалентно увеличению ее активного сопротивления. Поэтому, а также вследствие насыщения магнитных путей потоков рассеивания такие электродвигатели (в первую очередь обмотки ротора) обладают переменными параметрами и аналитические выражения их механических характеристик усложняются. Увеличение активного сопротивления ротора в период пуска вызывает увеличение начального пускового момента при некотором снижении силы начального пускового тока (рис. 1).

2. Основные характеристики электродвигателей

Номинальный режим электродвигателя соответствует данным, указанным на его щитке (паспорте). В этом режиме двигатель должен удовлетворять требованиям, установленным ГОСТом.

Существует восемь различных режимов работы, из них основными можно считать:

· продолжительный номинальный режим;

· кратковременный номинальный режим с длительностью рабочего периода 10, 30 и 90 мин;

· повторно-кратковременный номинальный режим с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40, 60%, с продолжительностью одного цикла не более 10 мин.

Номинальной мощностью Р_н электродвигателя называется указанная на щитке полезная механическая мощность на валу при номинальном режиме работы. Номинальная мощность выражается в Вт или кВт.

Номинальная частота вращения n_н вала электродвигателя называется указанное на щитке число оборотов в минуту, соответствующее номинальному режиму.

Номинальный момент вращения — момент, развиваемый двигателем на валу при номинальной мощности и номинальной частоте вращения:

М_н — номинальный момент вращения, Н·м (1 кгс·м = 9,81 Н·м ≈ 10 Н·м);

Р_н — номинальная мощность, кВт;

n_н — номинальная частота вращения, об/мин.

Номинальный к.п.д. hн электродвигателя — отношение его номинальной

мощности к мощности, потребляемой им из сети при номинальном напряжении:

Р_н — номинальная мощность, кВт;

U_н — номинальное (линейное) напряжение, В;

I_н — номинальная сила тока, А;

cosφ_н — номинальный коэффициент мощности.

Номинальной силой тока электродвигателя называется сила тока, соответствующая номинальному режиму. Действительное значение силы тока при номинальном режиме может отличаться от указанного на щитке электродвигателя в пределах установленных допусков для к.п.д. и коэффициента мощности.

Максимальный вращающий момент электродвигателя — наибольший вращающий момент, развиваемый при рабочем соединении обмоток и постепенном повышении момента сопротивления на валу сверх номинального при условии, что напряжение на зажимах двигателя и частота переменного тока остаются неизменными и равными номинальным значениям.

Начальный пусковой вращающий момент электродвигателя — момент вращения его при неподвижном роторе, номинальных значениях напряжения и частоты переменного тока и рабочем соединении обмоток.

Минимальным вращающим моментом электродвигателя в процессе пуска называется наименьший вращающий момент, развиваемый двигателем при рабочем соединении обмоток и частоте вращения в пределах от нуля до значения, соответствующего максимальному вращающему моменту (напряжение на зажимах двигателя и частота переменного тока должны оставаться неизменными и равными их номинальным значениям).

Номинальная частота вращения вала электродвигателя является следующим за мощностью параметром, от которого в значительной мере зависят конструктивное оформление, габариты, стоимость и экономичность работы электропривода. Наиболее приемлемыми в диапазоне мощностей от 0,6 до 100 кВт являются частоты вращения 3000, 1500 и 1000 об/мин (синхронные). Электродвигатели с частотой вращения 750 об/мин (восьмиполюсные) малых мощностей имеют низкие энергетические показатели. При одинаковой мощности электродвигатели с более высокой частотой вращения имеют более высокие значения к.п.д. и cosφ, а также меньшие размеры и массу, что определяет их меньшую стоимость.

Сила тока холостого хода I₀ в значительной мере определяется силой намагничивающего тока I_0Р. приближенно можно считать I₀ = I_0P . Для машин

основного исполнения относительное значение силы тока холостого хода

I₀ = (0,2—0,6)I_н (оно тем больше, чем меньше номинальная частота вращения и мощность электродвигателя). Зависимость тока холостого хода от частоты вращения электродвигателя приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Токи холостого хода для двигателей основного исполнения

Среднее значение токов холостого хода

(в долях от силы номинального тока) при синхронной частоте вращения, об/мин

Трехфазный асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором серии 4А имеет технические данные, при­веденные в табл. 4. Определить высоту оси вращения h, число полюсов 2р, скольжение при номинальной нагрузке s_H0M, момент на валу М_ном, начальный пусковой М_п и максимальный

М _max момен­ты, номинальный и пусковой токи I_H0M и I_п в питающей сети при соединении обмоток статора звездой и треугольником.

Асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором марки А02-82-6 имеет следующие паспортные данные: напряжение
U=220 /380 В, номинальная мощность Р₂ = 40 кВт, частота вращения п₂=980 об/мин, КПД η=91,5%, коэффициент мощности cos φ=0,91, кратность пу­скового тока К_I = 5, кратность пускового момента K_M = l,l, перегрузочная способность двигателя λ= 1,8. Определить число пар полюсов, номинальное сколь­жение, номинальные максимальный и пусковой вра­щающие моменты, номинальный и пусковой токи двигателя при соединении обмотки статора в «тре­угольник» и «звезду». Возможен ли пуск нагружен­ного двигателя, если подводимое напряжение на 10% ниже номинального и пуск производится переключением обмоток статора со «звезды» на «треугольник» от сети с напряжением U=220. В?

Решение. Для определения числа пар полюсов можно воспользоваться маркировкой двигателя, ча­стотой вращения магнитного поля или ротора.

Если известна маркировка, то последнее число в марке двигателя означает количество полюсов. В данном двигателе шесть полюсов; следовательно, три пары. При известной частоте вращения магнит­ного поля число пар полюсов определяем по формуле

По этой же формуле определяем число пар полюсов, если задана частота вращения ротора, но в этом случае получаемый результат округляем до ближайшего целого числа. Например, для заданных условий р = 60//п₂ = 3000/980 = 3,06; отбросив сотые доли, получаем число пар полюсов двигателя—3.

Частота вращения магнитного поля

Номинальное значение скольжения

Мощность, потребляемая двигателем,

Номинальный вращающий момент двигателя

М_max = λ*.М _ном = 1,8 • 389,8 = 701,6 Н • м.

Для определения фазных, линейных и пусковых токов (фазными являются токи в обмотках статора, линейными—токи в подводящих проводах) нужно учесть следующее: если двигатель рассчитан на работу от сети переменного тока с напряжением, 220/380 В, то это значит, что каждая фаза обмотки статора рассчитана на напряжение 220 В. Обмотку необходимо включить по схеме «треугольник», если в сети линейное напряжение U=220 В, и по схеме «звезда», если в сети линейное напряжение U=380 В.

Определяем фазный, линейный и пусковой токи при линейном напряжении U=220 В и соединении обмотки статора по схеме «треугольник».

Фазный ток в обмотке статора

Найдем значения фазных, линейных и пусковых токов, если обмотки статора включены по схеме «звезда» и подключены к сети с линейным напряже­нием U=38О В.

Значение фазного тока найдем из формулы мощ­ностей для линейных значений токов и напряжений

При соединении обмоток в «звезду» линейный ток

Из сопоставления фазных, линейных и пусковых токов при различных соединениях обмоток можно заметить, что фазные токи оказались практически одинаковыми, а линейные и пусковые — различными.

Для определения возможности пуска в ход двигате­ля, находящегося под номинальной нагрузкой и пони­женным напряжением, необходимо определить пуско­вой вращающий момент при пониженном напряжении.

В соответствии с формулой M=CU 2 вращающий момент двигателя пропорционален квадрату подво­димого напряжения. При понижении напряжения на 10% вращающий момент

M’=C U_ном = C<0,9U_HOM) 2 = 0,81 х М_аоы=0,81x 389,8 = 315,74 Н • м. Соответствен­но пусковой момент

М’_п =К_М* М’= 1,1*315,74 = 347,3 Н-м, что меньше тормозного момента на валу на 42,5 Н • м, т.е. пуск невозможен.

Для понижения пусковых токов часто пуск асинхронных двигателей осуществляют при понижен­ном напряжении. Двигатели, работающие при со­единении обмоток статора по схеме «треугольник», пускают без нагрузки путем переключения обмоток со «звезды» на «треугольник». Определить пусковой момент двигателя при данном виде пуска.

В момент пуска обмотки находятся под напряжени­ем

U_Ф = U_л/ = 220/1,73 = 127 В, что составляет 57,7% U_ном,

пусковой момент при переключении обмо­ток

М _п = C*U 2 = C (0,57U_HOM) 2 = 0_.33CU _ном =128,8 Н-м, т. е. в три раза меньше номинального значения.