Ротор с короткозамкнутым ротором - Squirrel-cage rotor

Ротор с короткозамкнутым ротором

А ротор с короткозамкнутым ротором это вращающаяся часть обычной беличьей клетки Индукционный двигатель. Он состоит из цилиндра из стальных пластин с алюминиевыми или медными проводниками, встроенными в его поверхность. В работе невращающийся статор обмотка подключена к переменный ток источник питания; переменный ток в статоре производит вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора имеет ток, индуцированный полем статора, как трансформатор за исключением того, что ток в роторе изменяется со скоростью вращения поля статора за вычетом физической скорости вращения. Взаимодействие магнитных полей токов в статоре и роторе создает крутящий момент на роторе.

Регулируя форму стержней в роторе, характеристики скорости-момента двигателя могут быть изменены, например, для минимизации пускового тока или для максимизации крутящего момента на низкой скорости.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором очень распространены в промышленности и имеют размеры от менее 1 киловатта (1,3 л.с.) до десятков мегаватт (десятков тысяч лошадиных сил). Они просты, прочны и самозапускаются, и поддерживают достаточно постоянную скорость от малой до полной нагрузки, задаваемую частотой источника питания и количеством полюсов обмотки статора. Обычно используемые в промышленности двигатели IEC или же NEMA стандартные размеры корпуса, которые взаимозаменяемы между производителями. Это упрощает применение и замену этих двигателей.

История

Галилео Феррарис описал индукционную машину с двухфазной обмоткой статора и сплошным медным цилиндрическим якорем в 1885 г. В 1888 г. Никола Тесла получил патент на двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой медной обмоткой ротора и двухфазной обмоткой статора. Разработки этой конструкции приобрели коммерческое значение. В 1889 г. Михаил Доливо-Добровольский разработал асинхронный двигатель с фазным ротором, а вскоре после этого - обмотку ротора клеточного типа. К концу 19 века асинхронные двигатели стали широко применяться в растущих системах распределения электроэнергии переменного тока.^[1]

Структура

Схема беличьей клетки (показаны только три пластинки)

Ротор двигателя представляет собой цилиндр, установленный на валу. Внутри он содержит продольные токопроводящие шины (обычно из алюминия или меди), вставленные в канавки и соединенные на обоих концах посредством закорачивающих колец, образующих форму клетки. Название происходит от сходства между этой обмоткой из колец и стержней и Беличья клетка.

Твердый сердечник ротора состоит из пакетов листов электротехнической стали. На Рисунке 3 показана одна из многих использованных пластин. У ротора больше пазов, чем у ротора. статор и должно быть кратным количеству пазов статора, чтобы предотвратить магнитную блокировку зубцов ротора и статора в момент запуска.^[2]

Стержни ротора могут быть изготовлены из меди или алюминия. Очень распространенная конструкция для небольших двигателей. литье под давлением алюминий, залитый в ротор после укладки пластин. У более крупных двигателей есть алюминиевые или медные шины, которые приварены или припаяны к концевым кольцам. Так как напряжение, развиваемое в обмотке короткозамкнутого ротора, очень низкое, а ток очень высокий, между стержнями и сталью ротора нет преднамеренного изоляционного слоя.^[3]

Теория

Пластины статора и ротора

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]

Практическая демонстрация

Чтобы продемонстрировать, как работает ротор с сепаратором, можно использовать статор однофазного двигателя и медную трубу (в качестве ротора). Если к статору подается соответствующая мощность переменного тока, внутри статора будет вращаться переменное магнитное поле. Если медная труба вставлена внутрь статора, в трубе будет индуцированный ток, и этот ток создаст собственное магнитное поле в трубе. Взаимодействие между вращающимся магнитным полем статора и индуцированным магнитным полем медной трубы-ротора создает крутящий момент и, следовательно, вращение.

Использование в синхронных двигателях

А синхронный двигатель может иметь обмотку с короткозамкнутым ротором, встроенную в его ротор, используемую для увеличения пускового момента двигателя и, таким образом, уменьшения времени для разгона до синхронной скорости. Обмотка с короткозамкнутым ротором синхронной машины обычно меньше, чем у асинхронной машины аналогичного номинала. Когда ротор вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле статора, ток не индуцируется в обмотках с короткозамкнутым ротором, и обмотки не будут иметь дальнейшего влияния на работу синхронного двигателя в установившемся режиме.

Обмотка с короткозамкнутым ротором в некоторых машинах обеспечивает эффект демпфирования нагрузки или системных возмущений и в этой роли может быть обозначена как любовник обмотки. Большие машины могут иметь амортизирующие стержни только на отдельных лицевых сторонах полюсов, не соединенные между собой полюсами. Поскольку обмотка с короткозамкнутым ротором недостаточно велика для рассеивания тепла при непрерывной работе, большие синхронные машины часто имеют защитные реле чтобы определить, когда машина выпала из синхронизации с напряжением питания.^[4]

Генераторы индукционные

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором также могут использоваться в качестве генераторов. Чтобы это работало, двигатель должен иметь реактивную нагрузку и быть подключен либо 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 вырабатывать мощность после накопления остаточного магнетизма.