Что такое беличья клетка в асинхронном двигателе

Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

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.

Теория

Обмотки возбуждения в статоре асинхронного двигателя создают вращающееся магнитное поле сквозь ротор. Относительное движение между этим полем и ротором вызывает электрический ток в токопроводящих стержнях. В свою очередь, эти продольные токи в проводниках вступают в реакцию с магнитным полем двигателя, создавая сила действуя в касательная ортогональный к ротору, в результате чего крутящий момент повернуть вал. Фактически ротор вращается с помощью магнитного поля, но с немного меньшей скоростью вращения. Разница в скорости называется соскальзывать и увеличивается с нагрузкой.

Проводники часто слегка перекошены по длине ротора, чтобы уменьшить шум и сгладить колебания крутящего момента, которые могут возникнуть на некоторых скоростях из-за взаимодействия с полюсными наконечниками статора, гарантируя, что в любое время одинаковая часть стержня ротора находится под каждым пазом статора. (если этого не сделать, в двигателе произойдет падение, а затем восстановление крутящего момента, когда каждый стержень пройдет зазор в статоре) Количество стержней на короткозамкнутой клетке определяет, в какой степени индуцированные токи возвращаются в катушки статора и отсюда и ток через них. В конструкциях с наименьшей обратной связью используется простое количество столбцов.

Железный сердечник служит для переноса магнитного поля через проводники ротора. Поскольку магнитное поле в роторе меняется со временем, сердечник имеет конструкцию, аналогичную конструкции трансформатор ядро, чтобы уменьшить потери основной энергии. Он состоит из тонких пластин, разделенных изоляцией лака, чтобы уменьшить вихревые токи циркулирует в ядре. Материал с низким содержанием углерода, но с высоким содержанием углерода.кремний гладить в несколько раз удельное сопротивление чистого железа, что еще больше снижает потери на вихревые токи и принуждение уменьшить потеря гистерезиса.

Одна и та же базовая конструкция используется как для однофазных, так и для трехфазных двигателей самых разных размеров. Роторы для трехфазных двигателей будут иметь различную глубину и форму стержней в соответствии с классификацией конструкции. Как правило, толстые стержни обладают хорошим крутящим моментом и эффективны при низком скольжении, поскольку имеют меньшее сопротивление ЭДС. По мере увеличения скольжения скин эффект начинает уменьшать эффективную глубину и увеличивает сопротивление, что приводит к снижению эффективности, но по-прежнему поддерживает крутящий момент.

Форма и глубина стержней ротора могут использоваться для изменения характеристик скорости-момента асинхронного двигателя. В состоянии покоя вращающееся магнитное поле проходит через стержни ротора с высокой скоростью, индуцируя ток линейной частоты в стержнях ротора. Из-за скин-эффекта индуцированный ток имеет тенденцию течь по внешнему краю обмотки. По мере ускорения двигателя частота скольжения уменьшается, и индуцированный ток течет на большей глубине обмотки. За счет сужения профиля стержней ротора для изменения их сопротивления на разной глубине или путем создания двойной короткозамкнутой обоймы с комбинацией ротора с высоким и низким импедансом параллельно, двигатель может быть расположен так, чтобы обеспечивать больший или меньший крутящий момент в состоянии покоя и около его синхронная скорость. [3]

Управление асинхронным двигателем

Способы подключения асинхронного электродвигателя к сети питания:
• прямое подключение к сети питания
• подключение от устройства плавного пуска
• подключение от преобразователя частоты

Варианты подключения асинхронного электродвигателя с помощью магнитного пускателя (слева), устройства плавного пуска (посеридине) и частотного преобразователя (справа). Схемы представлены в упрощенном виде. FU1-FU9 — плавкие предохранители, KK1 — тепловое реле, KM1 — магнитный пускатель, L1-L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, M1-M3 — асинхронные электродвигатели, QF1-QF3 — автоматические выключатели, UZ1 — устройство плавного пуска, UZ2 — преобразователь частоты

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:

• нереверсивного пуска: пуск и остановка;
• реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

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.

Использование частотного преобразователя позволяет:
• уменьшить энергопротребление электродвигателя;
• управлять скоростью вращения электродвигателя (плавный запуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
• избежать перегрузок электродвигателя и тем самым увеличить его срок службы.

Функциональная схема частотно-регулируемого привода

В зависимости от функционала частотные преобразователи реализуют следующие методы регулирования асинхронным электродвигателем:
• скалярное управление;
• векторное управление.

Скалярное управление

является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки — медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).

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.

Управление асинхронным двигателем

Способы подключения асинхронного электродвигателя к сети питания:
• прямое подключение к сети питания
• подключение от устройства плавного пуска
• подключение от преобразователя частоты

Варианты подключения асинхронного электродвигателя с помощью магнитного пускателя (слева), устройства плавного пуска (посеридине) и частотного преобразователя (справа). Схемы представлены в упрощенном виде. FU1-FU9 — плавкие предохранители, KK1 — тепловое реле, KM1 — магнитный пускатель, L1-L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, M1-M3 — асинхронные электродвигатели, QF1-QF3 — автоматические выключатели, UZ1 — устройство плавного пуска, UZ2 — преобразователь частоты

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:

• нереверсивного пуска: пуск и остановка;
• реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

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.

Использование частотного преобразователя позволяет:
• уменьшить энергопротребление электродвигателя;
• управлять скоростью вращения электродвигателя (плавный запуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
• избежать перегрузок электродвигателя и тем самым увеличить его срок службы.

Функциональная схема частотно-регулируемого привода

В зависимости от функционала частотные преобразователи реализуют следующие методы регулирования асинхронным электродвигателем:
• скалярное управление;
• векторное управление.

Скалярное управление

является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки — медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).

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.

Режим электромагнитного тормоза

Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Такой режим работы асинхронной машины называется режимом электромагнитного тормоза, и для него справедливы неравенства .

Определение и немного истории

Автором асинхронного двигателя считают Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, который в 1889 году получил патент на двигатель с ротором типа «Беличья клетка», а в 1890 году на двигатель с фазным ротором, которые без особых изменений в конструкции используются и сегодня. А первые исследования и наработки в этом направлении были проведены в 1888 Галилео Феррарисом и Николой Тесла независимо друг от друга.

Главным отличием разработки Доливо-Добровольского от разработок Теслы было использование трёхфазной, а не двухфазной конструкции статора. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. Там представили три трёхфазных асинхронных электродвигателя, самый мощный из которых был на 1.5 кВт. Конструкция этих машин оказалась настолько удачно, что не пережила весомых изменений до наших дней.

Определение асинхронной машины звучит следующим образом:

Асинхронной называется электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля, создаваемого обмотками статора.

Как задать обороты асинхронного двигателя

Любой, в том числе асинхронный трехфазный, электродвигатель неспособен развить обороты близкие частоте поля. Количество полюсов стремятся снизить. Но даже в этом случае редко удается достичь желанных 3000 об/мин (50 Гц х 60 сек). В принципе невозможно. Увеличение количества полюсов статора практикуется для понижения оборотов, как показано выше на примере напольного вентилятора.

Чаще практикуется подключение асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на трехфазный регулятор амплитуды. Методика позволит максимально просто добиться результата. Токи асинхронных электродвигателей велики на старте, “благодаря” потерям сердечника ротора (с ростом оборотов снижаются). Нельзя сказать, что ремонт своими руками статоров относится к категории простых, но намного лучше, нежели перематывать ротор коллектора. Простотой конструкции объясняется любовь промышленности к этому роду устройств.