Беличья клетка в электродвигателе что это

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция асинхронного электродвигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же U_л=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз U_ф=U_л=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы «треугольник» будет в три раза больше линейного тока схемы «звезда». А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.

Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме «звезда», подключение данного электродвигателя по схеме «треугольник» может привести к его поломке.

Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме «треугольник», то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя

Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети

Схемы приведенные на рисунке «а», «б», «д» применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам «а», «б», «г» практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.

Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем «в», «д», «е» примерно рассчитывается соответственно по формулам:

Управление асинхронным двигателем

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Реверсивная схема

Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.

Конструкция АДФР

Фазный ротор

Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Статор АДФР

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР

Пуск АДФР

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.

Применяются проволочные и жидкостные реостаты.

Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.

Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов [3].

Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.

Источник

Обмотки типа бельчьей клетки

КОРОТКОЗАМКНУТЫЕ ОБМОТКИ ТИПА БЕЛИЧЬЕЙ КЛЕТКИ

К короткозамкнутым обмоткам типа беличьей клетки относятся обмотки роторов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, демпферные (успокоительные) обмотки синхронных генераторов и пусковые обмотки синхронных двигателей.

Обмотка образуется из стержней, замкнутых с двух сторон короткоза мыкающим и кольцами.

В асинхронных машинах применяется равношаговая, или полная, беличья клетка, у которой расстояния между соседними стержнями одинаковые (рис. 16-23). В синхронных машинах (явнополюсных) применяется неравношаговая, или неполная, беличья клетка, стержни которой располагаются, как правило, только в полюсном наконечнике и отсутствуют в межполюсном пространстве (рис. 16-24).

Стержни беличьих клеток синхронных машин имеют, как правило, круглое сечение и изготовляются из меди или латуни. Стержни располагаются в пазах полюсных наконечников. Стержни каждого полюса припаивают с двух сторон к сегментам, сегменты соседних полюсов соединяют друг с другом болтами (рис 16-24).

Соединение стержней с короткозамыкающими кольцами (сегментами) в сварных беличьих клетках выполняется пайкой твердыми припоями (главным образом марок ПСр-15, ПСр-45 и ПМФ-7) с помощью газосварочной горелки.

Дополнительно по теме

Рис. 16-23. Литая алюминиевая беличья клетка (заодно с клеткой отлиты вентиляционные лопатки, расположенные на короткозамыкающих кольцах).

Рис. 16-24. Ротор синхронной машины с демпферной обмоткой.

Рис. 16-25. Пазы и стержни короткозамкнутых обмоток асинхронных двигателей.

2. Электродвижущая сила и намагничивающая сила равношаговой беличьей клетки.

Расчетное число фаз обмотки .

Электродвижущая сила фазы (полувитка), индуктируемая n-й гармонической магнитного поля,

Амплитуда гармонической н. с. с m парами полюсов беличьей клетки, обусловленная токами, индуктированными в ней гармонической поля с n парами полюсов, равна:

где — ток стержня и ток контура, образованного двумя соседними стержиями, наведенные n-й гармонической поля (рис. 16-26); .

Токи клетки, наведенные гармонической поля с n парами полюсов, создают гармонические н. с. с числом пар полюсов

где a=0, 1, 2, 3. ; знаку плюс (минус) перед n соответствует гармоническая н. с, вращающаяся согласно (встречно) с n-й гармонической поля.

Рис. 16-26. К расчету э. д. с. и н. с. равношаговой беличьей клетки.

Источник

Трансформаторные подстанции высочайшего качества

с нами приходит энергия

develop@websor.ru

Обмотки типа бельчьей клетки

1. Конструкция.
К короткозамкнутым обмоткам типа беличьей клетки относятся обмотки роторов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, демпферные (успокоительные) обмотки синхронных генераторов и пусковые обмотки синхронных двигателей.
Обмотка образуется из стержней, замкнутых с двух сторон короткоза мыкающим и кольцами.
В асинхронных машинах применяется равношаговая, или полная, беличья клетка, у которой расстояния между соседними стержнями одинаковые (рис. 16-23). В синхронных машинах (явнополюсных) применяется неравношаговая, или неполная, беличья клетка, стержни которой располагаются, как правило, только в полюсном наконечнике и отсутствуют в межполюсном пространстве (рис. 16-24).
Беличьи клетки роторов асинхронных двигателей мощностью до 200 кВт (в отдельных случаях — до 400 кВт) выполняют литыми алюминиевыми (рис. 16-23). Для заливки роторов электродвигателей общего применения используется » чистый первичный алюминий. Химический состав отлитой беличьей клетки должен соответствовать составу первичного алюминия марки А5 или А6 (не более 0,5% примесей).
Литые беличьи клетки технологичны и надежны., Методом литья изготовляют беличьи клетки диаметром до 550 мм и длиной до 700 мм. Литые беличьи клетки применены, в частности, в электродвигателях единых серий А, АО, А2, АО2 до 11-го габарита. Стержни литых беличьих клеток располагаются в закрытых или полузакрытых пазах различной формы (глубокий с параллельными стенками, глубокий трапециевидный, клинообразный, лопаточный — рис. 16-25, а-г).
Короткозамкнутые обмотки крупных асинхронных двигателей (мощностью примерно свыше 200 кВт) и явнополюсных синхронных машин выполняются сварными, обычно из медных или латунных стержней и медных (латунных, иногда — стальных) короткозамыкающих колец или сегментов. Сварные короткозамкнутые обмотки асинхронных двигателей могут иметь стержни круглого, прямоугольного (глубокий паз, рис 16-25,е) или специального (колбообразного, клинообразного — рис.16-25, д, ж) профиля, применяются также двойные беличьи клетки, когда стержни обеих обмоток располагаются в полузакрытых пазах на различной глубине (рис. 16-25, з). В асинхронных двигателях с двойной беличьей клеткой обычно стержни рабочей (внутренней) клетки — медные, пусковой (внешней) клетки — латунные (реже — бронзовые). Крупные асинхронные двигатели выпускаемых отечественной промышленностью серий А и A3 (мощностью от 200 до 1 250 кВт) имеют беличью клетку со стержнями преимущественного колбообразного профиля.
Стержни беличьих клеток синхронных машин имеют, как правило, круглое сечение и изготовляются из меди или латуни. Стержни располагаются в пазах полюсных наконечников. Стержни каждого полюса припаивают с двух сторон к сегментам, сегменты соседних полюсов соединяют друг с другом болтами (рис 16-24).
Соединение стержней с короткозамыкающими кольцами (сегментами) в сварных беличьих клетках выполняется пайкой твердыми припоями (главным образом марок ПСр-15, ПСр-45 и ПМФ-7) с помощью газосварочной горелки.

Рис. 16-23. Литая алюминиевая беличья клетка (заодно с клеткой отлиты вентиляционные лопатки, расположенные на короткозамыкающих кольцах).

Рис. 16-24. Ротор синхронной машины с демпферной обмоткой.

Рис. 16-25. Пазы и стержни короткозамкнутых обмоток асинхронных двигателей.

Рис. 16-26. К расчету э. д. с. и н. с. равношаговой беличьей клетки.

Источник