Двигатели индукционные с обмотанным ротором: конструкция, преимущества и применения переменной скорости

Двигатель индукционный с обмотанным ротором имеет статор, идентичный белковому, но его ротор содержит изолированные обмотки, выходящие через контактные кольца и щетки. Хотя питание никогда не подается на контактные кольца, они играют решающую роль при пуске: позволяют включить последовательное сопротивление в цепь роторных обмоток. Как только двигатель достигает рабочей скорости, это сопротивление коротко замыкается, делая ротор электрически похожим на белковый ротор.

Двигатель индукционный с обмотанным ротором

Зачем вставляется сопротивление последовательно с ротором?

Крупные белковые двигатели могут потреблять 500–1000% полного нагрузочного тока при пуске. Добавленное сопротивление драматически снижает пусковой ток и, что важнее, увеличивает пусковой крутящий момент. По мере увеличения роторного сопротивления от R₀ до R₁ до R₂, пик пробойного крутящего момента смещается влево, достигая максимума при нулевой скорости. Этот высокий крутящий момент в неподвижном состоянии необходим для пуска высокоинерционных нагрузок.

Пик пробойного крутящего момента смещается к нулевой скорости увеличением роторного сопротивления

Хотя последовательное сопротивление снижает крутящий момент на полной скорости, оно удаляется, когда ротор разогнан. Тепло, генерируемое при пуске, затем рассеивается во внешнем пусковом резисторе, сохраняя корпус двигателя холоднее.

Недостаток двигателей с обмотанным ротором — добавленная сложность и обслуживание, требуемое для щеток и контактных колец.

Эта конфигурация идеальна для пуска тяжелых, высокоинерционных нагрузок. С высоким пусковым сопротивлением пиковый вырванный крутящий момент доступен немедленно при нулевой скорости — в отличие от белкового двигателя, чей пиковый крутящий момент появляется только около 80% синхронной скорости.

Регулирование скорости

Повторное введение переменного сопротивления в роторную цепь после пуска позволяет контролировать скорость двигателя. Увеличение сопротивления снижает роторный ток, уменьшая скорость. Однако высокий пусковой крутящий момент и смещенный пробойный крутящий момент присутствуют только на низких скоростях. На более высоких скоростях двигатель ведет себя аналогично белковому.

Типичные значения сопротивления обозначаются R₀, R₁, R₂ и R₃, со значением, возрастающим от нуля до максимума. Более высокое сопротивление на R₃ может дополнительно снизить скорость. Регулирование скорости лучше всего работает в диапазоне 50–100% полной скорости, и хорошо подходит для переменных нагрузок, таких как лифты и печатные прессы.

Роторное сопротивление управляет скоростью двигателя с обмотанным ротором

Двойно-потоковый индукционный генератор (DFIG)

Когда двигатель с обмотанным ротором приводят выше синхронной скорости, он может действовать как генератор. Поскольку и статор, и ротор электрически доступны, эта машина известна как двойно-потоковый индукционный генератор, в отличие от однопоточной версии, подключенной только к статору.

Роторное сопротивление обеспечивает сверхсинхронную работу двойно-потокового генератора

DFIG может варьировать свою скорость в диапазоне ±30–50% относительно синхронной. Вставляя сопротивление в роторную цепь, избыточная энергия поглощается при перескорости, в то время как отрицательное сопротивление может подавать дополнительную энергию при недоскорости. На практике сопротивление заменяется силовой преобразователем, который забирает или отдает энергию ротору, повышая общий КПД.

Преобразователь восстанавливает энергию от ротора двойно-потокового генератора

Преобразователь заимствует энергию от сети для ротора ДПИГ, позволяя эффективную работу ниже и выше синхронной скорости

В этой конфигурации ротор может эффективно «заимствовать» или подавать мощность статору, позволяя генератору поддерживать 60 Гц выход даже при отклонении скорости от синхронной. Теоретически без потерь ДПИГ отдавал бы ровно 100% механической мощности в сеть; на практике вклад ротора может поднять видимый выход до ~130% механического входа, с дополнительной энергией, поглощаемой или подаваемой преобразователем.

Ключевые качества двигателей индукционных с обмотанным ротором

• Высокий пусковой крутящий момент для тяжелых, инерционных нагрузок.
• Меньший пусковой ток, чем у белковых двигателей.
• Скорость регулируется между 50% и 100% полной скорости через роторное сопротивление.
• Требует щеток и контактных колец, увеличивая обслуживание по сравнению с белковыми конструкциями.
• При использовании как генератор машина становится переменноскоростным двойно-потоковым индукционным генератором (ДПИГ).

Связанный рабочий лист: Рабочий лист по теории двигателей переменного тока