Устройство и использование двигателей асинхронного короткозамкнутого типа

Подключение двигателя на одну фазу

Для бытовых нужд использование трёхфазного мотора проблематично, поскольку отсутствует требуемое напряжение. Решение проблемы, использовать однофазный асинхронный двигатель. Такой мотор оснащен статором, однако конструктивно изделие отличается количеством и расположением обмоток, а так же схемой их запуска.

Схема подключения однофазного двигателя:

Так, однофазный асинхронный двигатель со статором из двух обмоток будет располагать их со смещением по окружности под углом 90°. Соединение катушек будет параллельным, одна — пусковая, вторая — рабочая. Что бы создать вращающееся магнитное поле, дополнительно вводят активное сопротивление, или конденсатор. Сопротивление создаёт сдвиг фаз токов обмотки, близкий к 90°, что помогает создать вращающее магнитное поле.

При использовании статором асинхронного двигателя одной катушки, подключение источника питания в одну фазу создаст пульсирующее магнитное поле. В обмотке ротора появится переменный ток, который создаст магнитный поток, как следствие работа двигателя не произойдёт. Для запуска такого агрегата создают дополнительный толчок, подключив конденсаторную схему пуска.

Асинхронный двигатель, рассчитанный на подключение к трёхфазному источнику питания, работает и от одной фазы. Пользователей интересует вопрос, как подключить асинхронный двигатель на 220В. Помните, что подключение снизит коэффициент полезного действия двигателя, а так же повлияет на мощность и показатели пуска. Для выполнения задачи надо из трёх обмоток статора собрать схему, сделав так, что бы обмоток было две. Одна обмотка будет рабочей, вторая используется для запуска агрегата. Как пример, предположим, что есть три катушки с начальными выходами (U1, V1, W1) и конечными выходами (U2, V2, W2). Создаём первую рабочую обмотку, объединив концы (V2, W2), а начало (V1, W1) подключаем к сети в 220В. Пусковой обмоткой будет оставшаяся катушка, которую подключают к питанию через конденсатор, соединив её с ним последовательно.

5.18.6 Поворотные трансформаторы

Так называют электрические машины переменного тока,
предназначенные для преобразования угла поворота q в напряжение,
пропорциональное некоторым функциям угла поворота ротора sinq
или cosq, а также самому углу q. Их применяют в вычислительной
технике для выполнения различных математических операций. С помощью поворотных
трансформаторов решают геометрические задачи, связанные с построением треугольников,
преобразованием координат, разложением и построением векторов. В системах автоматического
регулирования поворотные трансформаторы используют в качестве измерителей расстояния,
фиксирующих отклонение системы от некоторого определенного положения.

Конструктивно поворотный трансформатор представляет
собой асинхронную машину малой мощности. На статоре ее перпендикулярно размещены
две обмотки: C₁-C₂ и С₃-С₄.
Первая получила название главной, а вторая — квадратурной. Обмотки статора выполняются
одинаковыми, т.е. с одинаковым числом витков. На роторе может быть одна обмотка,
но чаще их бывает две. На рис. 5.18.6.1. приведены схемы включения синусного,
косинусного и синусно-косинусного поворотных трансформаторов.

Асинхронные задачи

Что такое вообще — асинхронность? В отличие от синхронности, асинхронность это модель поведения. Предположим, что у нас есть две строчки кода, первая за второй. Первая строка это код которому нужно время. Итак, первая строка начинает запуск в фоновом режиме, позволяя второй строке запуститься без ожидания завершения первой строки.

Нам нужно такое поведение в случае, когда что-то подтормаживает и требует времени. Синхронность может казаться прямолинейной и незатейливой, но всё же может быть ещё и медленной. Такие задачи, как обработка изображений, операции с файлами, создание запросов сети и ожидание ответа — всё это может тормозить и быть долгим, производя огромные расчеты в 100 миллионов циклов итераций. Так что такие вещи в стеке запросов превращаются в “задержку”, ну или “blocking” по-английски. Когда стек запросов заблокирован, браузер препятствует вмешательству пользователя и выполнению другого кода до тех пор, пока “задержка” не выполнится и не освободит стек запросов. Таким образом асинхронные колбэки (callback) используются в таких ситуациях.

Пример: Видимо функция  это простейший способ продемонстрировать основы асинхронного поведения.

Exercise 3: Давайте рассмотрим стек запросов, который только что увидели:Шаг 1: Как и обычно  отправляется в стек первым и сразу же из него выкидывается после выполнения.

Шаг 2:  отправляется в стек, но обратите внимание на то, что  не может сразу выполниться, так как стоит отсрочка на 2 секунды. Так что пока эта функция для нас исчезнет, но мы позже разберем этот вопрос

Шаг 3: Само собой, следующая строка это , которая отправляется в стек, выполняется и тут же выкидывается из него.

Шаг 4: Сейчас стек запросов пуст и в ожидании.

Шаг 5: Внезапно  обнаруживается в стеке, после 2-х секунд задержки. Далее  выполняется и сразу после этого выкидывается из стека. На 6-м шаге, наш стек оказывается пустым.

Это говорит о том, что пусть даже JavaScript и однопоточный, мы можем достичь согласованности действий через асинхронное исполнение задач.

Теперь у нас осталось несколько вопросов:

Вопрос 1: Что случилось с ?Вопрос 2: Откуда оно вернулось?Вопрос 3: И как это вообще произошло?

И тут появляется Event Loop (Или цикл обработки событий) и Web API. Давайте представим каждого из вышесказанных и ответим на эти три вопроса в нашей следующей схеме.

Exercise 4: Давайте разберемся.Шаг 2: С этого момента  отправляется в стек запросов. Как мы можем видеть, тут имеются компоненты callback и задержка в 2000ms.  не является частью JavaScript движка, это по сути Web API включенное в среду браузера как дополнительный функционал.

Шаг 3: Итак, Web API браузера берет на себя  и запускает таймер в 2000ms, оставляя на фоне , которое сделало свою работу и выкинуто из стека. Вот и ответ на первый вопрос.

Шаг 4: Следующая строка в нашем скрипте это , отправленное в стек и выкинутое оттуда после выполнения.

Шаг 5: Теперь у нас есть callback в WebAPI, который собирается сработать по прошествии 2000ms. Но WebAPI не может напрямую как попало закидывать что-то в стек запросов, потому что это может создать прерывание для другого кода, выполняемого в JavaScript движке, именно в этот момент. Так что callback поставится в очередь выполнения задач после 2000ms. А теперь WebAPI пуст и свободен.

Шаг 6: Цикл событий или Event Loop — ответственный за взятие первого элемента из очереди задач и передачу его в стек запросов, только тогда, когда стек пуст и свободен. На этом шаге нашего уравнения, стек запросов пуст.

Шаг 7: Итак, callback отправлен в стек запросов, так как он был пуст и свободен. И тут же выполнился. Так что ответ на второй вопрос готов.

Шаг 8: Далее идет выполнение кода , который находится в области видимости callback, следовательно,  отправляется в стек запросов.

Шаг 9: После того, как  выполнен, он выкидывается из стека запросов и JavaScript приходит к завершению выполнения callback. Который в свою очередь после своего завершения будет выкинут из стека запросов. А вот и ответ на вопрос как.

Итак, это была довольно простая демонстрация происходящего, но всё может стать сложнее в некоторых ситуациях, например тогда, когда есть несколько  в очереди — в общем результаты разнятся от того что обычно ожидается.

Преобразование

Работа асинхронного автомата, так же как и автомата синхронного типа, может быть описана с помощью таблицы переходов и выходов или с помощью графа. Однако переход к сигналам, обладающим ненулевой длительностью, несколько усложняет такое описание.

Рассмотрим способы построения таких графов асинхронного и синхронного автомата.

Пусть задан синхронный автомат со следующей таблицей переходов-выходов.

В заголовках столбцов расположены символы входного алфавита, в заголовках строк – состояния автомата, в ячейках размещено состояние, в которое автомат переходит из текущего под действием входного возмущения, с соответствующим значением выходного результата (запись через знак дроби). Построим по данной таблице граф автомата. Вершинами графа служат состояния автомата, построчно определяются дуги, идущие от одного состояния к другому, над которыми осуществляются записи входных возмущений с соответствующими выходами. Полученный граф представлен на рисунке 2а.

Графы синхронного(а) и соответсвующего асинхронного (б) автомата

При построении данного графа (2а) длительность входных сигналов не учитывалась. Если же считать, что импульсные сигналы, подаваемые на вход, обладают конечной длительностью, то необходимо уточнить, в каком состоянии должен находиться автомат в момент действия каждого сигнала. Это можно сделать путем введения дополнительных состояний в заданный граф для каждого перехода, как это показано на рис. 2б. Полученный граф определяет асинхронный автомат, все состояния автомата являются устойчивыми. Принцип построения графа такой же.

Пусковой ток

Прямой пуск мотора характеризуется значительно большим уровнем тока, чем при его стабильной работе. Пусковой показатель может превышать номинал в 5-8 раз. При этом номинальный ток всегда указывается производителем на шильдике двигателя, тогда как пусковой описан только в технической документации. В характеристиках этот параметр указан как отношение пускового тока к номинальному.

Как вычислить пусковое напряжение?

Есть несколько способов произвести расчет пускового тока для асинхронного двигателя. Эти варианты пригодятся в том случае, если величина соотношения не указана в технической документации или сопровождающие бумаги были утеряны:

1.       Осциллограф. Проверка показаний производится в момент пуска посредством резисторного шунта. Действующее напряжение вычисляют из максимального амплитудного значения, после чего, используя закон Ома, определяют пусковой ток. Преимущество такого способа в получении конкретных данных по определенному двигателю.
2.       Пониженное напряжение. В таком варианте на двигатель подается сниженное в 5-10 раз напряжение и производится замер. После пересчета получается пусковой ток. Причем замеры достаточно произвести для 1 фазы. На остальных пусковые показатели должны быть аналогичными. Данный способ применяется на производстве для получения данных, отображаемых в таблице. Основанием служит номинальный ток, поэтому в каждом отдельном случае пусковой показатель может быть другим.
3.       Токоизмерительные клещи. Простой и быстрый метод. Наиболее точные показания получаются при замере на системах с длительным пуском и высокой инерцией. Например, это могут быть вентиляторы или двигатели с массивной крыльчаткой.
4.       Трансформатор. Способ, применяемый в узлах учета электроэнергии. Используя трансформатор, не нужно измерять реальный ток, достаточно получить его величину, уменьшенную в определенное количество раз. Существенным минусом метода является то, что трансформатор рассчитан на частотный диапазон в 50-60 Гц, тогда как пусковые переходные процессы могут иметь более широкий спектр и гармоники.

Важно помнить, что, в силу определенных факторов, заявленный производителем пусковой ток будет иметь большую кратность, чем его реальное значение

Как уменьшить напряжение при пуске асинхронного мотора

Большое пусковое усилие часто становится проблемой, вызывая перегрузки питающей сети, перегрев, ускоренный износ двигателя. Поэтому необходимо иметь возможность понизить его величину для сохранения работоспособности и долговечности систем. Есть несколько способов:

1.       Плавный пуск. В таком варианте на двигатель подается сначала пониженное напряжение с постепенным повышением до номинала. Для реализации метода используются УПП (устройства плавного пуска) или частотные преобразователи.
2.       Ограничители. В таком исполнении в качестве ограничивающего элемента при пуске применяются резисторы с высокими показателями сопротивления. После срабатывания таймера производится переключение двигателя на номинальное значение. Для сборки такого пускового устройства достаточно использовать контактор и реле времени, поэтому сделать его можно самостоятельно.
3.       Звезда-треугольник. Особый способ подключения обмоток, который позволяет сразу использовать полное напряжение на прямой пуск и реверс, однако выводить магнитное поле двигателя на номинальную мощность постепенно. Такой подход помогает сохранить рабочие характеристики агрегата. Чертеж подобного подключения можно найти в интернете.

Есть также варианты запуска и раскручивания асинхронного реверсивного двигателя вхолостую. Нагрузка подключается только после достижения достаточных оборотов. В таком исполнении могут применяться вариаторы, муфты, коробки передач. При необходимости реализовать быструю остановку, можно использовать динамическое торможение, для чего на обмотки статора подается постоянное напряжение.

Устройство асинхронного двигателя

Назначение асинхронного двигателя, это преобразование энергии электричества в механическую работу. Выполнить эту задачу установке помогают две детали: статор и ротор.

Устройство статора представлено в виде неподвижной части мотора, которая взаимодействует с подвижной частью, ротором. Между ротором и статором воздушный зазор, разделяющий механизмы. Активной частью механизмов является обмотка и детали сердечника, проводящие магнитный поток, возбуждаемый электрическим током, проходящим по обмотке. С целью минимизировать магнитные потери, при перемагничивании сердечника, деталь набирают из пластин, изготовленных из электротехнической стали. Обмотка статора конструктивно равномерно укладывается проводниками в пазы сердечника, угловое расстояние 120°. Схема соединения фаз обмотки статора «треугольник» или «звезда». В целом, статор представляет собой большой электрический магнит, цель которого, создать магнитное поле.

Статор и ротор асинхронного двигателя:

Схема подключения «звезда» или «треугольник» выбирается в зависимости от напряжения питания сети. Существенную роль играют такие понятия:

Фазное напряжение, соответствует разности потенциалов между началом и концом одной фазы, или разница потенциалов между линейным и нейтральным проводом.
Линейное напряжение, разность потенциалов между двумя линейными проводами (фазами)

Схемы подключений:

Поскольку асинхронный двигатель широко распространён повсеместно, на его долю приходится потребление от 45% до 50% вырабатываемой электроэнергии. Что бы снизить расход электроэнергии (почти на 50%) и не потерять в мощности и цене двигателя, в конструкции механизма используют применение совмещённых обмоток. Принцип заключается в схеме подключения нагрузки к сети. Совмещение обмоток «звезда» «треугольник» при последующем подключении к трёхфазной сети даёт в итоге систему из шести фаз, угол между магнитными потоками в которой равен 30°. Метод сглаживает кривую магнитного поля между ротором и статором, это положительно сказывается на показателях электродвигателя.

В зависимости от конструкции ротора, асинхронный двигатель условно делят на виды: короткозамкнутый ротор, фазный ротор. Статор обоих механизмов одинаков, отличительная черта, обмотка. Сердечник ротора так же выполнен из электротехнической стали, методом комбинирования прямых и косых стыков пластин.

Составные детали двигателя размещаются в корпусе. Для небольших моторов корпус делают цельнолитым, материал изделия, чугун. Кроме того, применяют сплав алюминия, либо сталь. Некоторые корпуса в маленьких двигателях совмещают функцию сердечника, в мощных двигателях корпус выполняется из составных частей.

Поскольку асинхронный мотор относится к электрической машине, изделие применяется как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Однако, как генератор, асинхронный механизм имеет ряд недостатков, которые не позволили машине использоваться массово в этом качестве.

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.

Фазный ротор

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

Обозначение выводов обмоток ротора вновь разрабатываемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85

Обозначение выводов обмоток ротора ранее разработанных и модернизируемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85

Примечание: Контактные кольца роторов асинхронных двигателей обозначают так же, как присоединенные к ним выводы обмотки ротора, при этом расположение колец должно быть в порядке цифр, указанных в таблице, а кольцо 1 должно быть наиболее удаленным от обмотки ротора. Обозначение самих колец буквами необязательно.

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 .

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.

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.
ГОСТ 26772-85 Машины электрические вращающиеся. Обозначение выводов и направление вращения.
А.И.Вольдек. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. заведений. изд. 2-е, перераб. и доп.-Ленинград: Энергия, 1974.

Подключение однофазного синхронного электродвигателя

Несмотря на сложность конструкции синхронных двигателей, они имеют много преимуществ перед асинхронными. Главное – это низкая чувствительность к скачкам напряжения, ведущих к резкому уменьшению или увеличению силы тока. Не менее значим и тот факт, что синхронные моторы могут работать даже с перегрузкой, не говоря уже об оптимальном режиме реактивной энергии и вращении вала с постоянной скоростью. Однако подключение – трудоемкий процесс, и это уже недостаток.

Метод разгона

Нельзя пустить в ход однофазный синхронный двигатель, просто подав питание на его обмотки. Потому что в момент включения направление питающего тока в статорных намотках соответствует рисунку (а). В это время на ротор, который еще находится в состоянии покоя, действует пара сил, которая будет пытаться крутить вал по часовой стрелке. Но через половину периода в статорных намотках ток поменяет свое направление. Поэтому пара сил будет уже действовать в обратном направлении, поворачивая вал против часов стрелки, как на рисунке (б). Поскольку ротор обладает большой инертностью, он так и не сдвинется с места.

Чтобы заставить ротор вращаться, необходимо, чтобы он успевал сделать хотя бы половину оборота, чтобы изменение направления тока не повиляло на его вращение. Это возможно, если разогнать вал при помощи посторонних сил. Это можно сделать двумя путями:

1. Вручную;
2. С использованием второго двигателя.

Собственной силой рук можно разогнать только маломощные синхронные электродвигатели. А для средне- и высокомощных агрегатов придется использовать другой мотор.

При разгоне с посторонней силой ротор начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной. Потом только включается обмотка возбуждения, и затем – статорная намотка.

Асинхронный пуск синхронного мотора

Если в наконечниках на полюсах ротора уложены стержни из металла, и они соединены между собой по бокам кольцами, то мотор должен запускаться асинхронным методом. Эти стержни играют роль вспомогательной обмотки, которая есть у асинхронного двигателя. При этом намотку возбуждения закорачивают с помощью разрядного резистора, а статорную обмотку подключают к сети. Только так можно обеспечить такой же разгон, как и у асинхронного электродвигателя. Но после того, как скорость вращения максимально приблизится к синхронной (достаточно 95% от нее), намотку возбуждения соединяют с источником постоянного тока. Скорость становится полностью синхронной, что влечет за собой снижение ЭДС индукции вспомогательной обмотки вплоть до нуля. И она отключается автоматически.

Схема и способ подключения вашего двигателя будет зависеть от того, какой он у вас: синхронный или асинхронный. В учет идет также мощность мотора, а также способ пуска: с нагрузкой или без. Разобраться в рисунках вам поможет элементарное понимание механики и электромагнитных явлений.

Возможные неисправности

Несмотря на простоту и надежность асинхронного двигателя, при неправильной эксплуатации и неблагоприятных внешних условиях они могут потерять рабочие характеристики или выйти из строя. Любые неисправности мелкого или серьезного характера можно разделить на 2 группы – электрические и механические.

Механические поломки

Эти повреждения часто заметны при внешнем осмотре или на слух в процессе работы электродвигателя:

•         дефекты корпуса, крыльчатки;
•         ослабленная фиксация обмоток;
•         деформация вала.

Также частой проблемой является износ подшипников

Для своевременного выявления поломки необходимо проявлять внимание к внешним признакам. Изношенные элементы способствуют появлению вибраций, перегреву агрегата

Также определить неисправность можно акустическим способом – по повышению уровня шума при включении питания.

Электрические неполадки

Среди поломок электрического происхождения чаще всего проявляются:

•         межвитковые замыкания;
•         повреждение обмотки;
•         пробой изоляции на корпус;
•         потеря сопротивления изолирующего материала, повреждение его целостности;
•         износ щеток в процессе длительной работы;
•         поломка контактных колец.

Для выявления таких проблем понадобится произвести замеры с помощью мультиметра и мегаомметра.

Проводя исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутого исполнения измерительными приборами, можно проверить целостность обмоток, наличие всех фаз, уровень поступающего в него напряжения.

С помощью мегаомметра производится замер уровня сопротивления изоляции обмоток. Данный прибор выполняет измерение в условиях подачи повышенного напряжения. При снижении показателя ниже нормы (оно должно быть не ниже 0,5 МОм) необходимо принимать меры. Если он не равен нулю, можно поставить агрегат на просушку. Для этого вместо роторной части внутрь корпуса вставляют мощную лампу накаливания. Если после просушки обмоток показатель сопротивления не повысился, поломка определяется как короткое замыкание. Выявить его точное место можно при помощи омметра, по очереди, замерив сопротивление всех обмоток. Различия между показаниями для обмоток должны быть минимальными, допустимая разница – не больше 2%.

Также есть простой «народный» способ определения межвиткового замыкания. Для него понадобится металлический шарик небольших размеров и низкое напряжение. После извлечения ротора из корпуса, на обмотки подается не больше 40В. После этого внутрь забрасывают шарик, который начинает под действием магнитных полей вращаться внутри стартера. При непрерывном движении вывод – обмотки целы. Если же шарик прилип к одной точке, именно в этом месте и произошло межвитковое замыкание, необходим ремонт обмоток.

При правильном использовании и постоянном контроле исправности, не придется часто проводить исследование асинхронного агрегата с короткозамкнутого типа на предмет повреждений и выполнять ремонт. Конструкция отличается высокой надежностью и способна долгое время работать без существенного технического обслуживания. Это, в свою очередь, снижает общие эксплуатационные затраты. С учетом низкой общей себестоимости (относительно других вариаций), оно делает электродвигатели с ротором короткозамкнутого типа наиболее практичными и простыми для использования.