короткозамкнутый ротор

Ротор с короткозамкнутым ротором — это вращающаяся часть обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором . Он состоит из цилиндра из стальных пластин с алюминиевыми или медными проводниками, встроенными в его поверхность. В процессе работы невращающаяся обмотка статора подключается к переменного тока источнику питания ; переменный ток в статоре создает вращающееся магнитное поле . В обмотке ротора существует ток, индуцируемый полем статора, как в трансформаторе, за исключением того, что ток в роторе изменяется со скоростью вращения поля статора минус физическая скорость вращения. Взаимодействие магнитных полей в статоре и токов в роторе создает крутящий момент на роторе.

Регулируя форму стержней в роторе, можно изменить скоростно-моментные характеристики двигателя, например, чтобы минимизировать пусковой ток или максимизировать крутящий момент на низких скоростях.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором очень распространены в промышленности, их мощность составляет от менее 1 киловатта (1,3 л.с.) до десятков мегаватт (десятков тысяч лошадиных сил). Они просты, надежны, самозапускаются и поддерживают достаточно постоянную скорость от легкой до полной нагрузки, определяемую частотой источника питания и количеством полюсов обмотки статора. Обычно в промышленности используются двигатели стандартного размера IEC или NEMA , которые взаимозаменяемы между производителями. Это упрощает применение и замену этих двигателей.

История

Галилео Феррарис описал асинхронную машину с двухфазной обмоткой статора и цельным медным цилиндрическим якорем в 1885 году. В 1888 году Никола Тесла получил патент на двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой медной обмоткой ротора и двухфазным двигателем. обмотка статора. Разработки этой конструкции приобрели коммерчески важное значение. В 1889 году Михаил Доливо-Добровольский разработал асинхронный двигатель с фазным ротором, а вскоре и с обмоткой ротора с короткозамкнутым ротором. К концу XIX века асинхронные двигатели широко применялись в растущих системах распределения электроэнергии переменного тока. ^[1]

Структура

Форма ротора двигателя представляет собой цилиндр, установленный на валу. Внутри он содержит продольные токопроводящие стержни (обычно из алюминия или меди), вставленные в пазы и соединенные на обоих концах закорачивающими кольцами, образующими форму клетки. Название происходит от сходства этой обмотки из колец и стержней с беличьей клеткой .

Твердый сердечник ротора состоит из стопок пластин из электротехнической стали. На рисунке показан один из многих использованных наборов для ламинирования. Пластина ротора имеет большее количество пазов, чем соответствующая пластина статора , и количество пазов ротора должно быть нецелым числом, кратным числу пазов статора, чтобы предотвратить магнитную блокировку зубцов ротора и статора в начальный момент. ^[2]

Стержни ротора могут быть изготовлены из меди или алюминия. В очень распространенной конструкции двигателей меньшего размера используется литой под давлением алюминий, который заливают в ротор после укладки пластин. Двигатели большего размера имеют алюминиевые или медные стержни, которые приварены или припаяны к концевым кольцам. Поскольку напряжение, развиваемое в короткозамкнутой обмотке, очень низкое, а ток очень высокий, между стержнями и сталью ротора нет преднамеренного изоляционного слоя. ^[3]

Теория

Обмотки возбуждения статора асинхронного двигателя создают вращающееся магнитное поле через ротор . Относительное движение между этим полем и ротором индуцирует электрический ток в проводящих стержнях. В свою очередь, эти токи в продольных проводниках реагируют с магнитным полем двигателя, создавая силу , действующую по касательной , перпендикулярной ротору, что приводит к крутящему моменту , вращающему вал. Фактически ротор уносится магнитным полем, но с несколько меньшей скоростью вращения. Разница в скорости называется скольжением и увеличивается с нагрузкой.

Перекос

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 любой момент одна и та же часть стержня ротора находится под каждым пазом статора. Если бы стержни ротора были параллельны полюсам статора, двигатель испытал бы падение, а затем восстановление крутящего момента, когда каждый стержень пройдет зазор в статоре.

Показанные на фотографии пластины имеют 36 стержней в статоре и 40 стержней в роторе. Наибольший общий делитель 36 и 40 равен 4, в результате чего одновременно можно совместить не более 4 стержней статора и ротора, что также снижает колебания крутящего момента.

Количество стержней в роторе определяет, в какой степени индуцированные токи возвращаются к катушкам статора и, следовательно, ток через них. В конструкциях, обеспечивающих наименьшую обратную связь, используются простые числа стержней ротора.

Ламинирование

Железный сердечник служит для проведения магнитного поля через проводники ротора. Поскольку магнитное поле в роторе меняется со временем, сердечник имеет конструкцию, аналогичную сердечнику трансформатора, для уменьшения потерь энергии в сердечнике . Он изготовлен из тонких пластин, разделенных лаковой изоляцией, для уменьшения вихревых токов, циркулирующих в сердечнике. Материал представляет собой железо с низким содержанием углерода, но с высоким содержанием кремния, которого в несколько раз превышает удельное сопротивление удельное сопротивление чистого железа, что дополнительно снижает потери на вихревые токи, а также низкую коэрцитивную силу для уменьшения потерь на гистерезис .

Роторные стержни

Одна и та же базовая конструкция используется как для однофазных, так и для трехфазных двигателей широкого диапазона типоразмеров. Роторы для трехфазных сетей будут иметь различную глубину и форму стержней в соответствии с классификацией конструкции. Как правило, толстые стержни имеют хороший крутящий момент и эффективны при низком скольжении, поскольку они оказывают меньшее сопротивление ЭДС . По мере увеличения скольжения скин-эффект начинает уменьшать эффективную глубину и увеличивать сопротивление, что приводит к снижению эффективности, но сохранению крутящего момента.

Форму и глубину стержней ротора можно использовать для изменения скоростно-моментных характеристик асинхронного двигателя. В состоянии покоя вращающееся магнитное поле проходит по стержням ротора с высокой скоростью, индуцируя ток линейной частоты в стержнях ротора. Из-за скин-эффекта индуцированный ток стремится 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 беличьей клетки с сочетанием роторов с высоким и низким импедансом параллельно, двигатель можно настроить так, чтобы он создавал больший или меньший крутящий момент в состоянии покоя и вблизи него. его синхронная скорость. ^[3]

Практическая демонстрация

Для демонстрации работы короткозамкнутого ротора можно использовать статор однофазного двигателя и медную трубку (в качестве ротора). Если к статору подается достаточная мощность переменного тока, внутри статора будет вращаться переменное магнитное поле. Если медная трубка вставлена внутрь статора, в трубе возникнет наведенный ток, и этот ток создаст в трубе собственное магнитное поле. Взаимодействие между вращающимся магнитным полем статора и индуцированным магнитным полем ротора с медной трубой создает крутящий момент и, следовательно, вращение.

Использование в синхронных двигателях

Синхронный двигатель может иметь короткозамкнутую обмотку, встроенную в его ротор, которая используется для увеличения пускового момента двигателя и, таким образом, уменьшения времени разгона до синхронной скорости. Обмотка «беличьей клетки» синхронной машины обычно меньше, чем у асинхронной машины аналогичной мощности. Когда ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле статора, ток в короткозамкнутых обмотках не индуцируется, и обмотки не оказывают дальнейшего влияния на работу синхронного двигателя в установившемся режиме.

Обмотка с короткозамкнутым ротором в некоторых машинах обеспечивает эффект демпфирования нагрузки или возмущений в системе и в этой роли может называться амортизирующей обмоткой . Большие машины могут иметь амортизирующие планки только на отдельных поверхностях полюсов, а не соединенных между собой полюсами. Поскольку обмотка «беличьей клетки» недостаточно велика, чтобы рассеивать тепло при непрерывной работе, большие синхронные машины часто имеют защитные реле, которые обнаруживают, когда машина теряет синхронизацию с напряжением питания. ^[4]

Индукционные генераторы

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором также могут использоваться в качестве генераторов. Чтобы это работало, двигатель должен воспринимать реактивную нагрузку и быть либо подключен к сети, либо к системе конденсаторов для обеспечения тока возбуждения. Чтобы двигатель работал как генератор, а не как двигатель, ротор должен вращаться быстрее, чем синхронная скорость его статора. Это заставит двигатель генерировать мощность после накопления остаточного магнетизма.

См. также

Ссылки

^ Ион Болдеа, Сайед А. Насар, Справочник индукционной машины , CRC Press 2010 ISBN 1420042653 , страницы 2–3.
^ теория и характеристики электрических машин, JBGupta
^ Перейти обратно: ^а ^б Гордон Р. Слемон, Магнитоэлектрические устройства , John Wiley and Sons, 1966, стр. 384–389.
^ Гарр М. Джонс (редактор), Пересмотренный проект насосной станции, 3-е издание Elsevier, 2008 г. ISBN 978-1-85617-513-5 , стр. 13-4

[1] Ион Болдеа, Сайед А. Насар, Справочник индукционной машины , CRC Press 2010 ISBN 1420042653 , страницы 2–3.

[2] теория и характеристики электрических машин, JBGupta

[GRS66-3] Перейти обратно: ^а ^б Гордон Р. Слемон, Магнитоэлектрические устройства , John Wiley and Sons, 1966, стр. 384–389.

[4] Гарр М. Джонс (редактор), Пересмотренный проект насосной станции, 3-е издание Elsevier, 2008 г. ISBN 978-1-85617-513-5 , стр. 13-4

[1]

[2]

[3]

[4]