Асинхронные двигатели с двойной беличьей клеткой: конструкция с высоким крутящим моментом

1. Зачем использовать две роторные клетки?

Традиционный ротор с короткозамкнутой обмоткой низкого сопротивления работает эффективно, но при неподвижном состоянии может не обеспечивать достаточный момент для тяжёлой нагрузки. Увеличение сопротивления ротора позволяет сместить максимальный момент в область низких оборотов, однако одновременно повышаются номинальный скольжение и потери в роторе в режиме нормальной работы. Ротор с двойной короткозамкнутой обмоткой решает этот компромисс, поскольку его… эффективный Импеданс ротора изменяется в зависимости от частоты скольжения.

Внешний роторный кольцо рассчитан на преобладание при неподвижном или медленно вращающемся роторе. Внутреннее кольцо по мере приближения ротора к номинальной скорости всё более и более доминирует. Оба кольца остаются физически замкнутыми концевыми кольцами; никаких внешних изменений цепи не требуется. Переход между режимами является электромагнитным следствием их различий в сопротивлениях, индуктивностях рассеяния и изменяющейся частоте ротора.

2. Физическая конструкция: внешняя клетка и внутренняя клетка

Статорный сердечник представляет собой набор из листов электротехнической стали, соединённых между собой и имеющих специально сформированные пазы. В каждом пазу размещены две токопроводящие цепи, которые часто называют внешней или верхней клеткой и внутренней или нижней клеткой. Обе эти цепи соединяются торцевыми кольцами, однако их геометрия и материалы различаются.

Тот внешняя клетка находится ближе к воздушному зазору. Как правило, он имеет меньшее поперечное сечение и/или материал с более высоким сопротивлением, что повышает его сопротивление R_o. Благодаря своему неглубокому расположению он обладает меньшей индуктивностью рассеяния L_o и, следовательно, меньшей реактивной составляющей рассеяния. внутренняя клетка Он располагается глубже в пазу. Как правило, он обладает большим поперечным сечением и меньшим сопротивлением R_i, однако более высокая связность потоков утечки обеспечивает ему большую индуктивность L_i.

EASA поясняет, что профиль роторных стержней использует эффект скин‑эффекта: при пуске ток ротора высокой частоты сосредотачивается ближе к воздушному зазору; при низком скольжении распределение тока становится более равномерным. В качестве способа повышения пускового момента, позволяющего при этом полному сечению стержня проводить ток на скорости полной нагрузки, EASA выделяет конструкцию двойной клетки [2].

3. Частота ротора, определяющая переходный процесс

Частота тока ротора определяется скольжением:

f_r=сф

При неподвижном состоянии s = 1, поэтому частота ротора равна частоте питающей сети. При номинальной скорости скольжение обычно составляет несколько процентов, поэтому частота ротора составляет всего несколько герц. Это изменение частоты влияет на реактивное сопротивление рассеяния каждой клетки:

X_o(s)=sX_o,0=2π f_rL_o

X_i(s)=sX_i,0=2π f_rL_i

Поскольку L_i > L_o, внутреннее реактивное сопротивление клетки на начальном этапе сравнительно высоко. При низкой частоте вращения ротора это реактивное сопротивление уменьшается, что позволяет внутренней клетке с низким активным сопротивлением проводить большую часть тока ротора.

4. Эквивалентное сопротивление ротора двойной клетки

Две клетки можно рассматривать как параллельные ветви ротора в инженерной эквивалентной схеме. Для наглядной фазовой эквивалентной модели:

Z_o(s)=R_o+j sX_o,0

Z_i(s)=R_i+j sX_i,0

Z_2,eq(s)=\left[1/Z_o(s)+1/Z_i(s)\right]^-1

С типичным дизайнерским замыслом:

R_o>R_i\qquadи\qquad X_i,0>X_o,0

При высоком скольжении внутренняя ветвь обладает большой реактивной составляющей, и ток преимущественно протекает по наружной ветви. При низком скольжении внутренняя реактивная составляющая резко уменьшается, и внутренняя ветвь с низким сопротивлением принимает на себя большую долю тока. Данное представление является упрощённым: явления насыщения, щелевая утечка, эффект скин‑слоя, гармонические поля, импеданс торцевых колец, а также точная геометрия проводников требуют проведения расчётов методом конечных элементов или использования экспериментальных данных производителя для окончательного проектирования.

5. Высокий пусковой момент: специально сформированная кривая момента

Общее выражение момента асинхронного двигателя в виде эквивалента Тевенена часто записывается следующим образом:

T_e=\frac3V_th²(R_2,eq'/s)ω_s\left[(R_th+R_2,eq'/s)²+(X_th+X_2,eq')²\right]

Для ротора с двойной клеткой R_2,eq' и X_2,eq' следует понимать как Скользящие зависимые эффективные значения , а не фиксированные константы. Конструктор двигателя подбирает геометрию и материал наружного и внутреннего ротора таким образом, чтобы в пусковом режиме обеспечивалось достаточное активное сопротивление для высокого крутящего момента, тогда как в рабочем режиме — более низкое активное сопротивление для повышения КПД.

Практическим результатом является высокая тяговая способность при заблокированном роторе и высокий пусковой момент, при этом в режиме нормальной работы двигатель не ведёт себя как асинхронный двигатель с постоянно высоким сопротивлением ротора. Кривая зависимости момента от частоты вращения, предоставляемая производителем, имеет решающее значение, поскольку два двигателя с двойным клетчатым ротором, имеющие одинаковые номинальные значения мощности и частоты вращения, могут обладать весьма различными пусковыми характеристиками.

6. Двойная клетка против глубокой планки: связанные, но не идентичные

И двойноклеточные, и глубокозазорные роторы используют частотно-зависимое распределение тока для улучшения пусковых характеристик. В… настоящий двойной клеточный ротор , два различимых проводящих пути спроектированы параллельно. В случае ротор с глубокими пазами , одна глубокая пазовая шина обеспечивает непрерывное изменение импеданса и плотности тока по её глубине. На практике многие современные геометрии роторных пазов сочетают оба этих подхода и могут быть описаны как эквиваленты двойной клетки или глубоких пазов.

EASA отмечает, что стержень в виде бара с уменьшенной площадью вблизи воздушного зазора снижает локальную проводимость и называется двойным клетчатым стержнем, поскольку в первых реализациях использовались два стержня разного размера и материала [2]. При выборе изделия важен не только указанный производителем тип маркировки, но также документально подтверждённые значения крутящего момента при заблокированном роторе, пускового момента, критического момента, пускового тока, допустимого режима пуска и КПД.

7. Скольжение, поток мощности и нагрев ротора

Конструкция ротора с двойной клеткой не устраняет фундаментальное разделение мощности в асинхронном двигателе. Потери меди в роторе по‑прежнему пропорциональны скольжению:

P_r,Cu=sP_ag

P_мех,разр=(1-s)P_аг

Во время пуска при высоком скольжении токи в наружной клетке могут быть значительными и сосредоточиваться именно в ней. Наружная клетка должна без повреждений выдерживать кратковременные потери тепла, обусловленные I²R‑нагревом. В режиме нормальной работы низкое скольжение и более равномерное распределение токов по внутренней клетке снижают эффективное сопротивление ротора и уменьшают его потери.

8. Пример расчёта двойной клеточной системы передачи мощности

Рассмотрим четырёхполюсный асинхронный двигатель с двойной клеткой, питающийся от сети частотой 50 Гц. Он работает на частоте вращения 1 470 об/мин. Принимаем, что мощность в воздушном зазоре составляет 40 кВт, а механические потери — 2,2 кВт.

N_s=120×50/4=1 500 об/мин

s=1500-1470/1500=0,02=2%

f_r=0,02×50=1\ Гц

P_r,Cu=0,02×40 000=800\ Вт

P_мех,откл = (1 − 0,02) × 40 000 = 39 200 Вт

Pвала=39 200−2 200=37 000 Вт

Tshaft=\frac{37\,000}{2\pi}\times\frac{1470}{60}\approx240,36\ Н·м

При этом пробеге 2% частота вращения ротора составляет всего 1 Гц. Следовательно, реактивное сопротивление утечки внутренней клетки значительно ниже, чем при пуске, что обеспечивает эффективный режим работы с низким активным сопротивлением. В данном примере не определяется пусковой момент; для этого необходимы фактическая геометрия двойной клетки, параметры эквивалентной схемы, приложенное напряжение, степень насыщения и паспортная кривая момента производителя.

9. Методы пуска и управление с помощью частотного преобразователя

Двухклеточный ротор особенно полезен в условиях высоких требований line-start применения, поскольку он обеспечивает высокий пусковой момент за счёт внутреннего устройства, без использования внешнего роторного сопротивления. Его можно использовать с прямыми пусковыми устройствами, если это допускает электросеть, либо с понижающими пусковыми устройствами и частотно‑регулируемыми приводами, когда этого требуют ограничения по току, механические удары или необходимость управления скоростью вращения.

Частотный преобразователь снижает преимущество двойной клеточной конструкции, обеспечиваемое при пуске на номинальной частоте сети, поскольку привод может запускаться при низкой частоте статора. Для нового применения с переменной скоростью стандартного двигателя с клетчатым ротором и частотным преобразователем может оказаться достаточным. Однако двойная клеточная конструкция по‑прежнему может быть предпочтительной в тех случаях, когда требуются высокий перегрузочный момент, возможность пуска «под нагрузкой» без дополнительных устройств или мощное ускорение при ограниченной системе привода.

10. Рабочий процесс отбора

Двухкорпусный асинхронный двигатель выбирают исходя из его характеристик крутящего момента и частоты вращения, а не только потому, что нагрузка «тяжёлая». Кривая нагрузки, метод пуска, импеданс питающей сети, время разгона и режим работы должны свидетельствовать о том, что стандартный двигатель либо недостаточен, либо менее пригоден.

11. Приложения

Двухклеточные двигатели наиболее эффективны, когда требуется высокий пусковой момент, но при этом пользователю важна бесщёточная простота клеточного ротора. Они широко применяются в оборудовании с большой инерцией, при нагрузочном пуске, в условиях периодических ударных нагрузок или при наличии характерной кривой момента, которую обычный универсальный двигатель с клеточным ротором не способен без проблем преодолеть.

12. Техническое обслуживание и диагностика

Двухклеточные двигатели сохраняют преимущество машин с короткозамкнутым ротором, связанное с низкими эксплуатационными затратами, поскольку в них отсутствуют щётки и контактные кольца. Однако целостность ротора имеет решающее значение. Многократные тяжёлые пуски, термические циклы, вибрация, несимметрия напряжения и длительная работа при заблокированном роторе могут повредить роторные стержни, концевые кольца или ламинированные пластины. Подобные дефекты способны нарушить распределение тока между секциями короткозамкнутого ротора и ухудшить характеристики крутящего момента.

13. Двойная клетка против короткозамкнутого ротора против решения с частотным преобразователем

Двухклеточный асинхронный двигатель обеспечивает высокую кривую пускового момента за счёт фиксированной геометрии ротора. Асинхронный двигатель с фазным ротором достигает этого за счёт внешней регулировки сопротивления ротора. Частотно‑регулируемый привод (ЧРП) обеспечивает управляемые момент и скорость за счёт регулирования частоты и тока статора. Оптимальный выбор зависит от конкретной системы, а не от одного лишь параметра двигателя.

Заключение: два пути формирования вращающегося магнитного поля позволяют разрешить один из классических компромиссов асинхронного двигателя

Двухобмоточный асинхронный двигатель с двойной беличьей клеткой — элегантное решение конструкции ротора. В момент пуска внешний контур с высоким сопротивлением и низкой реактивностью принимает на себя значительную часть тока ротора, обеспечивая высокий крутящий момент на низких оборотах. По мере разгона двигателя и снижения частоты ротора внутренний контур с низким сопротивлением становится более эффективным, что способствует экономичной работе в режиме нормального хода. В результате получается бесщёточный двигатель с высоким крутящим моментом, не требующий внешнего устройства управления ротором.

Для правильного выбора ориентируйтесь на кривую крутящего момента — частоты вращения и номинальную мощность при пусковом режиме, предоставляемые поставщиком, после чего сопоставьте все требования системы: момент отрыва, пусковой момент, момент инерции, время разгона, допустимое снижение напряжения питания, количество пусков в час, коэффициент полезного действия, потребность в частотном преобразователе и стратегию технического обслуживания. При применении к соответствующей нагрузке с высоким моментом инерции или сложными условиями пуска двухклеточный асинхронный двигатель обеспечивает надёжный компромисс между простотой стандартного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и высокими пусковыми характеристиками, традиционно присущими конструкциям с регулируемым ротором.

Список литературы

Примечание редакции: Настоящая статья предназначена для целей инженерного образования и предварительного выбора оборудования. Окончательные решения по выбору двигателя, конструкции ротора, пусковому устройству/частотному преобразователю, настройке защиты от перегрузки, термической защите, типу корпуса, кабелю, заземлению и вопросам ремонта должны быть подтверждены документацией поставщика и проверены в условиях эксплуатации, для которых оборудование предназначено.

• [1] Оджак — Сравнительное исследование на основе метода конечных элементов влияния конструкций роторных стержней на характеристики асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
• [2] EASA — Основы: конструкция ротора с короткозамкнутыми обмотками
• [3] EEPower — Объяснение работы трёхфазного асинхронного двигателя
• [4] EEPower — Изучение трёхфазных двигателей: типы и принципы работы