Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором схема

Ротор асинхронного двигателя с фазным ротором: применение в асинхронных машинах

Асинхронный двигатель – это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую. Конструкция состоит из нескольких частей, но сегодня мы рассмотрим только подвижную часть электродвигателя – ротор.Также мы уделим внимание тому, как устроен ротор асинхронного двигателя с фазным ротором.

ВВЕДЕНИЕ

Номинальная мощность электродвигателя

Номинальное число оборотов ротора

Номинальное значение линейного напряжения прикладываемого к статору

Фазный ток обмотки статора

Активное сопротивление обмотки статора

Реактивное сопротивление обмотки статора

Номинальное значение ЭДС индуцируемое в одной фазе неподвижного ротора

Ток в одной фазе неподвижного ротора

Активное сопротивление одной фазы неподвижного ротора

Реактивное сопротивление одной фазы неподвижного ротора

Момент инерции ротора двигателя

Момент сопротивления рабочей машины приведенный к валу электродвигателя

Схема соединения обмоток

Плавный запуск двигателя с фазным ротором

Система плавного разгона электродвигателя с фазным ротором работает автоматически. Оператор нажимает кнопку «Пуск», дальше автоматика все делает сама.

Главный контактор подключает к трехфазному напряжению обмотку статора. Двигатель начинает вращение с минимально возможной скоростью, так как в цепь его ротора включены резисторы с максимально возможным сопротивлением.

Через фиксированную задержку, формируемую реле времени, включается первый контактор, шунтирующий первую секцию сопротивлений в цепи ротора. Скорость вращения немного возрастает. Проходит еще время, второе реле времени запускает следующий контактор. Шунтируется следующая секция сопротивлений, ток в цепи ротора возрастает, скорость вращения – увеличивается. И так далее, до полного исключения всех сопротивлений из цепи ротора. При этом электродвигатель выходит на номинальные обороты.

Схема плавного пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором

Число ступеней разгона выбирается из условий тяжести запуска. Разгон получается не таким уж плавным, ток в статоре возрастает ступенями. При старте и переходе на каждую последующую ступень, электродвигатель все равно потребляет пусковой ток, хоть и меньшего значения.

Этого недостатка лишены электродвигатели, для разгона которых используются жидкостные пускатели (или стартеры). В них в качестве резистора используется жидкость с высоким удельным сопротивлением. Это – дистиллированная вода с растворенной в ней специальной солью. Уменьшение сопротивления достигается за счет уменьшения расстояния между электродами, помещенными в эту жидкость. Электроды приводятся в движение небольшим электродвигателем через червячную передачу. За счет этого уменьшение сопротивления в цепи ротора и разгон электродвигателя происходят плавно.

Ремонт

Ремонтные работы всего устройства выполняются с целью восстановления его функциональности и работоспособности. Иногда требуется замена некоторых деталей. Например, при нагреве статора по разным причинам, может образоваться нагар на конструкции якоря электродвигателя.

Последовательность шагов тогда следующая:

• демонтаж двигателя;
• очистные работы;
• разборка всех узлов;
• восстановление поврежденных частей;
• покраска;
• сборка двигателя и проверка его в нагрузочном режиме.

Если оборудование представлено фазным типом, то требуются ремонтные работы отдельным его узлам, в том числе и щеточно-коллекторному.

Если стержень имеет трещины, то он подлежит восстановлению или замене. Делается это так: на месте трещины проводится надрез и высверливание отверстий от точки этого надреза до торца замыкающего кольца. Та часть, которая оказалась высверленной, заполняется медным сплавом.

Не стоит забывать и о проверке двигателя на обрыв и короткое замыкание. Сопротивление ротора и статора проверяются при помощи омметра, сверяясь при этом с техническими характеристиками в инструкции по эксплуатации. Однако прибор должен быть крайне чувствителен ввиду стремления сопротивления к нулю в обмотках мощных моделей моторов.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Независимо от типа электрической машины (синхронная или асинхронная, коллекторная или бесколлекторная) все они обладают следующими техническими характеристиками:

• количество рабочих фаз – одна или три (за исключением шаговых моделей);
• мощность электрическая и на валу;
• схемы соединения обмоток («звезда» или «треугольник»);
• класс защиты оборудования.

В однофазных машинах запуск осуществляется либо вручную, либо в них предусматривается специальная пусковая обмотка (фазосдвигающая цепочка с конденсатором).

В 3-х фазных агрегатах вращающееся э/м поле создается тремя независимыми катушками, размещенными на статоре под углом 120 градусов одна к другой. Соответствующие им ЭДС разнесены в электрическом пространстве на те же углы.

Виды мощности:

1. Электрической называют мощность, потребляемую от сети фазными обмотками двигателя в рабочем режиме.

2. Механическая мощность на валу – развиваемое ЭПТ вращательное усилие, измеряемое в Ваттах и характеризующее эффективность преобразования или КПД всего двигателя.

Схема включения обмоток выбирается с учетом особенностей конструкции агрегата и условий его работы. Чаще всего в бытовом электрооборудовании и инструменте применяется схема включения типа «звезда».

Класс защиты электродвигателей от проникновения внутрь механических частиц грязи, а также от попадания влаги устанавливается согласно стандарту EN 60034.

Для его обозначения используют две английские буквы IP со следующими за ними цифрами. Первая соответствует уровню защиты от попадания твердых частиц, а вторая – от проникновения во внутрь влаги.

Способы: Метод трансформации

Приступим к первому способу. Для этого нужно правильно выполнить следующие действия.

1. Одна из фазных обмоток замыкается через лампу накаливания или вольтметра (U 30-40 Вольт). Можно использовать мультиметром.
2. Две оставшиеся катушки соединяются последовательно в обычную бытовую сеть 220 Вольт. Начало V1 к концу второй U2, как показано на картинке сверху.

Если две оставшиеся обмотки соединены правильно и последовательно, то в 3 обмотке наводится ЭДС. Вызывая свечение лампочки, или отклонение стрелки вольтметра.

Если включены встречно, то общий поток не пересекает 3 обмотку, магнитный поток и сумма токов равны нулю. В таком случае ЭДС не наводится, и нет свечения лампы или отклонения стрелки.

В таком случае надо поменять концы второй обмотки и повторить тест. Если не изменилось, то возвращаем предыдущую обмотку в исходное состояние и поменять концы местами на третей обмотке.

Трёхфазный бесколлекторный двигатель

1. Двигатель стиральной машины с прямым приводом

Пожалуй уже каждый слышал о стиральных машинах с прямым приводом барабана. Но до сих пор, даже не все специалисты по ремонту стиральных машин знают как устроен и как работает двигатель в такой машине.

Сама идея конечно не новая, ведь за основу взят шаговый двигатель, который уже давно получил распространение во многих электротехнических устройствах. А вот первое применение его в конструкции стиральной машины в качестве привода барабана, принадлежит корейскому концерну LG. С середины 2005 года, компания LG начала активно продвигать свою продукцию, заявляя о 10-ти летней гарантии на двигатель для стиральных машин с прямым приводом.

Сегодня, помимо LG, компании Samsung, Haier и Whirpool в ряде моделей стиральных машин стали применять подобные двигатели. Забегая вперёд, можно сказать, что компания LG не просчиталась и двигатель для прямого привода барабана действительно довольно надёжный и имеет преимущество по сравнению с более традиционным и распространённым коллекторным двигателем.

2. Устройство двигателя

Двигатель стиральной машины с прямым приводом, представляет собой трёхфазный бесколлекторный двигатель постоянного тока, отчасти похожий на шаговый двигатель, но это не совсем так. В иностранной литературе его ещё часто называют BLDC (Brushless Direct Current Motor — бесщёточный мотор постоянного тока), для удобства мы тоже будем применять эту аббревиатуру.

Такой двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Различают два вида подобных двигателей:

Inrunner, у которых магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, и Outrunner, у которых магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками. В стиральных машинах с прямым приводом применяется Outrunner тип двигателя.

В этой статье мы ознакомим с устройством двигателя от стиральной машины LG.

3. Ротор

Рис.2 Ротор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом

Ротор BLDC — вращающаяся часть двигателя (Рис.2) По форме напоминает чашу, к внутренней стороне которой специальным клеем крепятся магниты прямоугольной формы. Магниты всегда имеют чётное количество и установлены с чередованием полюсов. В нашем случае установлено 12 магнитов, размер которых зависит от геометрии двигателя и характеристик мотора. Чем сильнее применяемые магниты, тем выше момент силы, развиваемый двигателем на валу. В центре ротора есть специальное посадочное отверстие с насечками, что позволяет, при помощи болта или гайки, закрепить ротор напрямую к валу барабана. С внешней стороны ротора, продавлено 10 щелей образующих на обратной его стороне небольшие лопасти для охлаждения обмоток статора.

4. Статор

Рис.3 Статор двигателя стиральной машины LG с прямым приводом

Статор BLDC — неподвижная часть двигателя и крепится к задней части бака стиральной машины (Рис.3) Статор состоит из нескольких листов магнитопроводящей стали заключённый в пластиковый каркас, который служит изолятором. В целом, каркас статора напоминает круг с прямоугольными зубьями. На каждый зуб статора наматывается катушка.

Обмотка трёхфазного бесколлекторного двигателя изготовлена из медной проволоки толщиной 1 мм. Классическая обмотка выполняется одним проводом для одной фазы, то есть все обмотки на зубьях одной фазы соединены последовательно. В данном случае статор имеет 36 зубьев — это значит по 12 зубьев на одну фазу. Сопротивление обмотки каждой фазы порядка 10 Ом.
Как известно, в трёхфазных двигателях, обмотки соединяют по схеме звезда или треугольник.
В нашем случае, обмотки статора соединены по схеме звезда, т.е. концы фаз имеют общую точку (Рис.4)

Поскольку в каждый момент времени работают только две фазы (при включении звездой), магнитные силы воздействуют на ротор неравномерно по всей окружности (Рис.5).

Силы, воздействующие на ротор, стараются его перекосить, что приводит к увеличению вибраций. Для устранения этого эффекта статор делают с большим количеством зубьев, а обмотку распределяют по зубьям всей окружности статора как можно равномернее (Рис.6)

В двигателе стиральной машины LG, распределение фазных обмоток, а также относительное положение ротора и статора можно увидеть ниже (см. Рис.7). На схеме производителя, фазные обмотки обозначают буквами : V, W, U

Рис.7 Трёхфазный двигатель постоянного тока (BLDC) стиральной машины LG (общий вид)

Для контроля положения ротора применяется датчик работающий на эффекте Холла. Датчик реагирует на магнитное поле и поэтому его располагают на статоре таким образом, чтобы магниты ротора воздействовали на него.

5. Система управления трёхфазным двигателем (BLDC)

Стоит отметить, что система управления двигателем BLDC и схема её реализации аналогична схеме управления трёхфазным асинхронным двигателем описанной в другой нашей статье. Что бы в точности не повторяться, поясним всё же немного по другому.

Управление двигателем с прямым приводом построено на инверторе напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Инвертор — (от лат. inverto — поворачивать, переворачивать) — элемент вычислительной схемы, осуществляющий определённые преобразования сигнала изменяемой амплитуды и частоты. К примеру, в инверторе, сетевое напряжение 220 вольт с частотой 50 Гц, преобразуется в постоянное напряжение, а параметры питания обмоток статора двигателя могут колебаться от 0 до 120 вольт с частотой до 300 Гц.

Двигатель постоянного тока имеет три вывода (т.е. три фазы), на которые в разный момент времени подаётся «+» и «-» питания. Это реализуется при помощи IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором) представляющие электронные силовые ключи, включённые по мостовой схеме (Рис.8)

Рис.8 Условная схема силовой части инвертора и обмоток двигателя подключённых по схеме «звезда»

Замыкая ключ SW1 подаётся «+» на фазу V , а замыкая SW6 подаётся «-» на фазу U . Таким образом, ток потечет от «+» выпрямителя через фазы V и U . Для обеспечения обратного направления, открывается SW5 и SW2. В этом случае ток потечет от «+» выпрямителя через фазы U и V в обратном направлении. При работе двигателя одновременно должен быть открыт только один верхний и один нижний ключ.

При включении ключей, как показано выше, на двигатель подается полное напряжение питания. При этом двигатель развивает максимальные обороты (мощность). Чтобы обеспечить управление двигателем, нужно регулировать напряжение питания двигателя. Изменение действующего напряжения осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Дадим определение этим терминам:
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. А скважность — это отношение периода следования (повторения) сигнала к длительности (широте) его импульса.

На (Рис.9) представлен график, иллюстрирующий применение трёхуровневой ШИМ для управления электродвигателем, которая используется в приводах асинхронных электродвигателей с переменной частотой. Напряжение от ШИ-модулятора, подаваемое на обмотку двигателя показано в виде прямоугольных импульсов. Пунктирной линией грубо изображён магнитный поток в статоре двигателя. Магнитный поток имеет приблизительно синусоидальную форму, благодаря соответствующему закону ШИМ.

Поэтому, ключи открыты не все время, а открываются, и закрываются с фиксированной частой, но изменяемой скважностью. Таким образом, изменяется действующее напряжение от нулевого до напряжения питания.

Назревает вопрос: зачем нужно менять скважность, зачем эта частота и для чего это всё нужно? Дело в том, что слишком малая частота может быть не эффективной или не обеспечивать необходимой плавности регулирования оборотов двигателя.

Рис.9 График иллюстрирующий напряжение от ШИ-модулятора, подаваемое на обмотку двигателя.

Например: если ротор двигателя имеет два полюса, то при одном полном обороте магнитного поля на статоре, ротор совершает один полный реальный оборот.

При 4 полюсах, чтобы повернуть вал двигателя на один полный оборот потребуется два оборота магнитного поля на статоре. Чем больше количество полюсов ротора, тем больше потребуется электрических оборотов для вращения вала двигателя на один оборот.

В нашем случае, имеется 12 магнитов на роторе. Для того, чтобы провернуть ротор на один оборот, потребуется 12/2=6 электрических оборотов поля. Поэтому, учитывая особенность конструкции двигателя и инверторную систему управления, для питания фаз двигателя необходима электрическая частота значительно выше 50Гц.

Чтобы добиться управления оборотами двигателя нужно наложить сигнал ШИМ, на сигналы, подаваемые на ключи. Для этого, микроконтроллер электронного блока управления, программно формирует ШИМ для каждого из ключей (IGBT). В программу контроллера, производитель закладывает определённый алгоритм и все данные для управления конкретным двигателем.

Мы пояснили немного суть системы управления двигателем, а вот детальный обзор устройства и принцип работы инверторного блока управления — очень объёмный материал и в рамках данной статьи мы рассматривать не будем.

6. Неисправности и диагностика двигателя

Как и говорилось выше, сам по себе двигатель довольно надёжный, относительно простой и в практике известны единичные случаи выхода из строя обмоток статора. Магниты на статоре имеют конечно не самое высшее качество, но их отклеивание или расколы почти не встречались.

Уязвимая деталь, пожалуй только датчик Холла. При возникновении его неисправности, отсутствует сигнал положения ротора, что приводит к некорректной работе системы питания фаз двигателя. В этом случае можно наблюдать, как ротор двигателя стопорится и издаёт дребезжащий металлический звук. В стиральных машинах LG, эта проблема зачастую сопровождается кодом неисправности «SE» на модуле интерфейса.

В отличие от коллекторного двигателя, запустить и проверить трёхфазный двигатель напрямую вне стиральной машины без каких-либо специальных приспособлений не получится, поскольку статор крепится к баку, а ротор к валу барабана стиральной машины. Поэтому, при наличии обычного цифрового мультиметра, можно проверить только сопротивление обмоток фаз статора. В связи с этим, на практике, при диагностировании неисправности, проблемную деталь двигателя или модуль управления, выявляют путём замены детали на заведомо исправную.

7. Преимущества и недостатки BLDC двигателей

Более ярким получится сравнение трёхфазного двигателя (BLDC) с традиционным коллекторным двигателем, которым оснащено большинство стиральных машин.

К преимуществу двигателей BLDC стоит отнести:

• низкий уровень шума
• относительно простая конструкция
• особое позиционирование двигателя в стиральной машине, позволяющее снизить колебание бака
• отсутствие приводного ремня, из-за которого терялась часть полезной энергии двигателя на преодоление сил трения ремня, между шкивом двигателя и шкивом барабана
• отсутствие уязвимого коллекторно-щёточного узла, имеющего ограниченный ресурс и требующего обслуживания

К недостаткам двигателя BLDC относятся:

• достаточно сложная система управления ( по сравнению с коллекторным двигателем)

Справедливости ради, стоит отметить, что двигатель стиральной машины LG с прямым приводом не идеально бесшумный. В момент пуска двигателя, из-за взаимодействия магнитных полей статора с магнитами ротора, возникают колебания последнего, сопровождающиеся характерным металлическим звоном. По мере увеличения оборотов ротора, звук становится более мягким, но всё-равно своеобразным и характерным для всех стиральных машин LG с прямым приводом барабана.