Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором составляют значительную часть семейства электродвигателей переменного тока-преобразователей электромагнитной энергии из одно – или трехфазной сети в механическую энергию вращения вала двигателя.
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором содержит две основные части: неподвижную и вращающуюся. Неподвижная часть – статор-состоит из сердечника той или иной конфигурации, одной или нескольких обмоток, уложенных в пазы сердечника, и конструктивных деталей: рамы, крепежных элементов и т.д. Подвижная часть-ротор-состоит из сердечника, короткозамкнутой обмотки, уложенной в его пазы, и конструктивных деталей, позволяющих вращать подвижную часть относительно неподвижной: вала, опорных подшипников, крепежных элементов и т.д. Конструкция таких двигателей является самой простой из всех типов электрических машин.
Применение асинхронных двигателей
Чрезвычайная простота конструкции и дешевизна производства, а также появление преобразователей частоты, гибких в программировании, определили практически универсальное применение асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в промышленных электроприводах. Используются однофазные и трехфазные асинхронные двигатели:
- в металлургическом производстве: в автоматизированных приводах оборудования прокатных и волочильных станов, литейного производства;
- в металлообрабатывающем производстве: в автоматизированных приводах станков и обрабатывающих центров, подъёмно-крановом оборудовании, транспортерах и т.п.;
- в механосборочном производстве: в приводах манипуляторов, конвейеров, компрессорном оборудовании;
- в горнодобывающем производстве: в бурильном и экскаваторном оборудовании, транспортерах и др.;
- в насосном, вентиляционном, компрессорном оборудовании;
- в строительстве: в крановом оборудовании, оборудовании подготовки и транспортировки стройматериалов;
- в бытовой сфере: в ручном электроинструменте, прачечном, кухонном и офисном оборудовании.
Преимущества использования асинхронных двигателей
Привлекательными сторонами использования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются:
- относительно высокие значения коэффициента мощности (cos φ) и коэффициента полезного действия (η);
- жесткая механическая характеристика (малы изменения скорости при колебаниях нагрузки);
- высокие значения пускового и максимально допустимого момента на валу двигателя.
В то же время наблюдается чрезвычайная простота конструкции и, как следствие, надежность в эксплуатации. Основными элементами, определяющими неисправности асинхронных двигателей с коротким замыканием, являются опорные подшипники вала двигателя и электрическая изоляция обмоток. К основным факторам разрушения изоляции обмоток относятся вибрация и перегрев обмоток, а также агрессивность внешней среды. Факторы разрушения подшипников: вибрация и искажение нагрузки, агрессивность внешней среды и паразитные токи через станину и вал двигателя, способствующие эрозии гусениц и элементов качения. Эти недостатки присущи всем типам электрических машин, но в случае асинхронных двигателей с коротким замыканием простота конструкции и обеспечение условий эксплуатации сводят их влияние к минимуму.
Принцип работы асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором
В пазах статора пространственно симметрично уложена трехфазная обмотка. Принцип работы асинхронного двигателя основан на свойстве таких обмоток, которое заключается в следующем: при питании фаз обмотки токами, сдвинутыми во времени на электрический угол, в градусах, равных пространственному углу сдвига фазы обмотки, внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. Частоту вращения такого поля обычно называют синхронной. В течение одного периода изменения тока с частотой f поле поворачивается на электрический угол 360°, соответствующий двум делениям полюсов. Следовательно, скорость вращения поля (синхронная скорость) ps = f/p (об / мин), где p-количество пар полюсов обмотки. Вращающийся магнитный поток в пространстве статора пересекает витки обмотки ротора. В то же время он индуцирует электродвижущую силу в обмотке ротора, под действием которой в обмотке начинает протекать ток. Частота и сила тока зависят от разности скоростей синхронного ps и самого ротора n. Относительная разница этих скоростей обычно называется скольжением S=(ps–n)/ps. При номинальном режиме работы величина проскальзывания лежит в диапазоне 0,03...0,05. По мере увеличения нагрузки на вал двигателя увеличивается проскальзывание, так как увеличивается отставание ротора от магнитного потока. Ток ротора также создает свой собственный вращающийся магнитный поток, который, сворачиваясь по вектору с потоком статора, создает внутреннее магнитное поле машины. В результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем машины возникает вращающийся электромагнитный момент, который поддерживает вращение ротора и приводит в действие нагрузку электродвигателя. Когда ротор движется с синхронной скоростью, индуцированная электродвижущая сила и ток в обмотке ротора исчезнут, а крутящий момент исчезнет. Таким образом, ротор всегда движется со скоростью, меньшей синхронной.
В однофазных асинхронных двигателях обмотка статора состоит из двух пространственно сдвинутых фаз и питается от однофазного напряжения. Для получения сдвига фаз токов в обмотках последовательно или параллельно одной из них включается фазосдвигающий элемент-чаще всего конденсатор. Однофазные асинхронные двигатели, как правило, имеют худшие характеристики по сравнению с трехфазными двигателями, однако в некоторых случаях эти недостатки перекрываются преимуществами, возникающими при возможности питания от однофазной сети.