Электродвигатели

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Учитывая то, что электроснабжение традиционно осуществляется путём доставки потребителям переменного тока, понятно стремление к созданию электромашин, работающих на поставляемой электроэнергии. В частности, переменный ток активно используется в асинхронных электродвигателях, нашедших широкое применение во многих областях деятельности человека. Особого внимания заслуживает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который в силу ряда причин занял прочные позиции в применении.

Секрет такой популярности состоит, прежде всего, в простоте конструкции и дешевизне его изготовления. У электромоторов на короткозамкнутых роторах есть и другие преимущества, о которых вы узнаете из данной статьи. А для начала рассмотрим конструктивные особенности этого типа электрических двигателей.

Устройство электродвигателя переменного тока

Электрические двигатели – это силовые машины, применяющиеся для превращения электрической энергии в механическую. Общая классификация разделяет их по типу питающего тока на двигатели постоянного и переменного тока. В статье ниже рассматриваются электрические двигатели со спецификацией под переменный ток, их виды, отличительные характеристики и преимущества.

Для общей информации, рекомендуем прочитать нашу отдельную статью о принципах работы электродвигателей.

Однофазный асинхронный электродвигатель — устройство, принцип работы

Практически всем хорошо известны трехфазные электродвигатели, они широко применяются в промышленности, позволяют решать самые различные задачи. Да и принцип получения переменного тока, как физической величины мы привыкли рассматривать на примере тех же трехфазных асинхронных генераторов. Но как быть в бытовых условиях, где присутствует только одна фаза, народные умельцы научились выполнять подключение трехфазных электрических машин, но это не обязательно. На практике давно используется однофазный асинхронный электродвигатель, который может выполнять все свои функции даже в домашней сети переменного тока.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

Что такое трехфазный двигатель и как он работает

В современной электротехнике из всех типов электродвигателей на переменном токе трехфазный двигатель получил наиболее широкое распространение. Такая популярность связана с его экономичностью и удобством в эксплуатации. Чтобы понять основную идею конструкции, основанной на применении трехфазного тока, и принцип работы двигателя с вращающимся магнитным полем, мы подготовили подробный материал.

В статье разобраны главные принципы работы трехфазных асинхронных двигателей, характеристики и различия в их устройстве. В качестве бонуса в статье читатель найдет видео c наглядным разбором устройства. Интересующие подробности можно уточнить в комментариях, эксперты ответят на любые ваши вопросы.

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды

Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.

Конструктивные особенности

Если сравнивать однофазный электродвигатель с другими электрическими машинами, то конструктивно он также состоит из подвижного и неподвижного элемента — статора и ротора. Статор, за счет протекания электрического тока по его обмоткам, создает магнитное поле, вступающее во взаимодействие с ротором. В результате электромагнитного взаимодействия ротор приводится во вращение.

Рис. 1. Конструкция однофазного асинхронного электродвигателя

Однако все не так просто, как может показаться на первый взгляд, если бы вы убрали из обычного трехфазного электродвигателя лишние две обмотки и подключили в розетку, вращение бы не началось. Мотору попросту не хватит момента для вращения ротора. Поэтому конструкция однофазного асинхронного электродвигателя имеет ряд особенностей.

Ротор

Ротор однофазного электродвигателя представляет собой такой же металлический вал, который оснащается обмоткой. На валу собирается ферромагнитный каркас из шихтованной стали по ее внешней поверхности проделываются пазы. В пазах на валу ротора устанавливаются стержни из меди или алюминия, которые выступают в роли обмотки, проводящей электрический ток. На концах стержни соединяются двумя кольцами, из-за такой конструкции его также называют беличьей клеткой.

При воздействии электромагнитного потока от статора на короткозамкнутые обмотки ротора в беличьей клетке начинает протекать ток. Ферромагнитная вставка на валу помогает усилить поток, проходящий через него. Однако далеко не во всех моделях существует магнитный проводник, в некоторых он выполняется из немагнитных сплавов.

Статор

Конструкция статора в однофазном электродвигателе имеет такой же состав, как и в большинстве электрических машин:

• металлический корпус;
• установленный внутри магнитопровод из ферромагнитного материала;
• обмотка статора, представленная медными проводниками.

Обмотки статора такого электродвигателя подразделяются на две – основную, она же рабочая, через которую осуществляется постоянная циркуляция нагрузки и пусковая, которая задействуется только в момент запуска. Обе обмотки однофазного двигателя расположены под углом 90° друг относительно друга. Такая конструкция делает их схожими с двухфазными электродвигателями, где также применяются две обмотки.

Но их объем, относительно всего пространства асинхронного двигателя отличается, основная составляет только 2/3 от общего числа пазов, а пусковые обмотки занимают 1/3.

Принцип преобразования энергии

Среди электрических двигателей, применяемых во всех отраслях промышленности и бытовых электроприборах, наибольшее распространение имеют двигатели переменного тока. Они встречаются практически в каждой сфере жизнедеятельности – от детских игрушек и стиральных машин до автомобилей и мощных производственных станков.

Принцип работы всех электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея и законе Ампера. Первый из них описывает ситуацию, когда на замкнутом проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, генерируется электродвижущая сила. В двигателях это поле создается через обмотки статора, по которым протекает переменный ток. Внутри статора (представляющего собой корпус устройства) находится подвижный элемент двигателя – ротор. На нем и возникает ток.

Вращение ротора объясняется законом Ампера, который утверждает, что на электрические заряды, протекающие по проводнику, находящемуся внутри магнитного поля, действует сила, движущая их в плоскости, перпендикулярной силовым линиям этого поля. Проще говоря, проводник, которым в конструкции двигателя является ротор, начинает вращаться вокруг своей оси, а закрепляется он на валу, к которому подключаются рабочие механизмы оборудования.

Устройство (статор и ротор асинхронных двигателей)

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора и ротора. Три обмотки размещены в пазах на внутренней стороне сердечника статора асинхронного двигателя. Обмотка же ротора асинхронного двигателя не имеет электрического соединения с сетью и с обмоткой статора. Начало и концы фаз обмоток статора присоединяют к зажимам в коробке выводов по схеме звезда или треугольник.

Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора, который бывает двух типов: фазный или короткозамкнутый. Чтобы лучше понять работу трехфазного двигателя, необходимо разобраться, что такое асинхронный двигатель и принцип его действия.

Обмотка короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя выполняется на цилиндре из медных стержней и называется “беличьей клеткой”. Торцевые концы стержней замыкают металлическими кольцами. Пакет ротора набирают из электротехнической стали. В двигателях меньшей мощности стержни заливают алюминием. Фазный ротор и статор имеют трехфазную обмотку. Фазы обмотки соединяют звездой или треугольником и ее свободные концы выводят на изолированные контактные кольца.

Где применяются

Трехфазные электродвигатели — довольно емкое понятие, включающее в себя разные виды по назначению, конструкции, и другим факторам электрических машин, делятся на три большие группы:

• общепромышленные (в свою очередь имеют очень много различных специальных исполнений на основе стандартной модификации);
• крановые (делятся по типу ротора: с фазным или короткозамкнутым);
• взрывозащищенные (тоже подразделяются на два основных типа: нефтехимические и рудничные).

Однофазный электродвигатель с экранированными полюсами

Двигатель с экранированными полюсами — двигатель с расщепленной фазой, у которого вспомогательная обмотка короткозамкнута.

Статор однофазного асинхронного двигателя с экранированными полюсами обычно имеет явно выраженные полюса. На явно выраженных полюсах статора намотаны катушки однофазной обмотки возбуждения. Каждый полюс статора разделен на две неравные части аксиальным пазом. Меньшую часть полюса охватывает короткозамкнутый виток. Ротор однофазного двигателя с экранированными полюсами — короткозамкнутый в виде «беличьей» клетки.

При включении однофазной обмотки статора в сеть в магнитопроводе двигателя создается пульсирующий магнитный поток. Одна часть которого проходит по неэкранированной Ф’, а другая Ф» — по экранированной части полюса. Поток Ф» наводит в короткозамкнутом витке ЭДС E_k, в результате чего возникает ток I_k отстающий от E_k по фазе из-за индуктивности витка. Ток I_k создает магнитный поток Ф_k, направленный встречно Ф», создавая результирующий поток в экранированной части полюса Ф_э=Ф»+Ф_k. Таким образом, в двигателе потоки экранированной и неэкранированной частей полюса сдвинуты во времени на некоторый угол.

Пространственный и временной углы сдвига между потоками Ф_э и Ф’ создают условия для возникновения в двигателе вращающегося эллиптического магнитного поля, так как Ф_э ≠ Ф’.

Пусковые и рабочие свойства рассматриваемого двигателя невысоки. КПД намного ниже, чем у конденсаторных двигателей такой же мощности, что связано со значительными электрическими потерями в короткозамкнутом витке.

Устройство

Конструктивно простейшая асинхронная машина представляет собой рамку, вращающуюся в переменном магнитном поле. Однако на практике данная модель носит скорее ознакомительный характер и практического применения в промышленности не имеет. Поэтому на рисунке 1 ниже мы рассмотрим устройство действующей модели асинхронного электродвигателя.

Рис. 1. Устройство асинхронного электродвигателя

Весь двигатель располагается в корпусе станины 7, ее основная задача состоит в обеспечении достаточной механической прочности, способной выдерживать достаточные усилия. Поэтому чем выше мощность агрегата, тем большей прочностью должна обладать станина и корпус.

Внутрь корпуса устанавливается сердечник статора 3, выступающий в роли магнитного проводника для силовых линий рабочего поля. С целью уменьшения потерь в стали магнитопровод выполняется наборным из шихтованных листов, однако в ряде моделей применяется и монолитный вариант.

В пазы сердечника статора укладывается обмотка 2, предназначенная для пропуска электрического тока и формирования ЭДС. Число обмоток будет зависеть от количества пар полюсов на каждую фазу. Также в части уложенных обмоток электродвигатели подразделяются на:

• трехфазные;
• двухфазные;
• однофазные.

Внутри статора располагается подвижный элемент – ротор 6. По конструкции ротор может быть короткозамкнутым или фазным, на рисунке приведен первый вариант. В состав ротора входит сердечник 5, также набранный из шихтованной стали и беличья клетка 4. Вся конструкция насажена на металлический вал 1, передающий вращение и механическое усилие.

Трехфазный асинхронный двигатель. Принцип работы

Принцип действия асинхронного двигателя заключается во взаимном расположении обмоток и трехфазном напряжении, что приводит к возникновению вращающегося магнитного поля, которое и выступает движущей силой.

Подробнее говоря, при подаче питания на первичную обмотку, на фазах образуются три магнитных потока, изменяющихся в зависимости от частоты входного напряжения. Они смещены между собой не только в пространстве, но и во времени, благодаря чему и появляется вращающийся магнитный поток.

Во время вращения результирующий поток создает ЭДС в роторных проводниках. По причине того, что обмотка ротора представляет собой замкнутую цепь, в ней создается ток, создающий пусковой момент в направлении вращения магнитного поля статора. Это приводит к вращению ротора после превышения пусковым моментом его тормозного момента. Наблюдаемое в этот момент явление называется скольжением — величиной, показывающей в виде процентов соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора.

(n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора)

Скольжение является очень важным параметром. На старте его величина всегда равна 1 и, естественно, становится меньше по мере увеличения разности между n1 и n2, что сопровождается также уменьшением электродвижущей силы и вращающего момента. Во время работы на холостом ходу скольжение минимально и растет по мере увеличения статического момента. Достигнув критического скольжения (обозначается как sкр), может спровоцировать опрокидывание двигателя. После уравновешивания тормозного и электромагнитного момента изменения величин прекращаются.

Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основывается на взаимодействии магнитного поля ротора, находящегося во вращении, и токов, наведенных в роторе этим же полем. При этом обязательным условием возникновения вращающего момента является разница частот вращения полей.

Подключение к однофазной сети через конденсатор

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети невозможно в чистом виде, без изменения схемы питания. Дело в том, что для создания вращающегося магнитного потока необходимо наличие как минимум двух обмоток со сдвигом по фазе, за счет которого и создает относительное движение статора. Если мотор подключить к бытовой однофазной сети напрямую, подав питание на одну из обмоток статора, он не будет работать. Это связано с тем, что одна работающая фаза создает пульсирующее поле, которое может обеспечивать движение вращающегося ротора, но не способно запустить его.

Для решения этой проблемы в двигателе размещается дополнительная обмотка под углом в 90˚ относительно основной, в цепь которой последовательно включен фазосмещающий элемент. В этом качестве могут выступать резисторы, индукционные катушки и другие устройства, однако лучшую эффективность показало применение конденсаторов.

Дополнительная обмотка, создаваемая с помощью конденсаторов, чаще всего выступает в роли пускателя двигателя, поэтому её называют пусковой. По достижении определенной температуры и скорости вращения вала срабатывает переключатель, размыкающий цепь. После этого работа двигателя обеспечивает взаимодействием между ротором и пульсирующим полем рабочей обмотки, как уже было описано выше.

Для обеспечения максимальной эффективности работы необходимо использование конденсаторов, чья ёмкость подходит под сетевые показатели. Кроме того, нередко в таких двигателях используется магнитный пускатель или реле тока для автоматического управления рабочим процессом. В видео ниже, будет и про магнитный пускатель.

Функциональные особенности подключения асинхронного двигателя с одним конденсатором отличаются хорошими пусковыми характеристиками, но сравнительно небольшой мощностью. Поскольку частота бытовой сети с напряжением 220 В составляет 50 Гц, такие моторы не могут вращаться со скоростью более 3000 об/мин. Это сокращает сферу их использования до бытовых приборов: пылесосов, холодильников, триммеров, блендеров и т.д.

Очень настоятельно рекомендуем посмотреть два видео ролика в этом разделе (одно сверху, другое снизу), т.к. наглядное пособие, может быть крайне полезным.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Получение вращающегося магнитного поля

При наличии трехфазного тока, то есть системы трех токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на треть периода, очень легко получить вращающееся магнитное поле без механического вращения магнита и без всяких дополнительных устройств.

Вращающееся поле создается трехфазной системой токов, подводимых к обмоткам статора, которые могут быть соединены между собой либо звездой, либо треугольником. Если в такое вращающееся поле поместить металлическое кольцо (или, еще лучше, катушку), то в нем будут индуцироваться токи так же, как если бы кольцо (катушка) вращалось в неподвижном поле.

Обмотка статора асинхронного двигателя в виде трех катушек уложена в пазы, расположенные под углом в 120 градусов. Начало и конца катушек обозначаются соответственно буквами A, B, C и X, Y, Z. При подаче на катушки трехфазного напряжения в них установятся токи Ia, Ib, Ic и катушки создадут собственное переменное магнитное поле.

Ток в любой катушке положительный, когда он направлен от начала к ее концу и отрицательный при обратном направлении. Векторы намагничивающей силы совпадают с осями катушек, а их величина определяется значениями токов, направление результирующего вектора совпадает с осью катушки.

Вектор результирующей намагничивающей силы поворачивается на 120 градусов сохраняя величину совпадает с осью соответствующей катушки. Таким образом за период, результирующее магнитное поле статора совершает оборот с неизменной скоростью. Работа трехфазного асинхронного двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, наводимыми в проводниках ротора.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором	С фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска	1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления	2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется	3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени	4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации	5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия

Однофазный асинхронный двигатель

Фактически, любой асинхронный электродвигатель является трехфазным и предусматривает подключение к трехфазной сети с напряжением 380 В. Однофазным или двухфазным его называют при подключении к однофазной электросети с напряжением 200 В, когда питание подается лишь на две обмотки. В такой схеме на основную рабочую обмотку подается чистая фаза от сети, а на другую питание идет через фазосдвигающий элемент, как правило, конденсатор. Такая схема позволяет создать необходимую индукцию для смещения ротора и запустить асинхронный двигатель от однофазной сети. Для дальнейшей его работы даже необязательно, чтобы пусковая обмотка (которую подключают через конденсатор) оставалась под напряжением.

Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель продолжает функционировать (под малой нагрузкой) даже если во время работы от него отключить подачу энергии по одному из питающих проводов, сымитировав таким образом работу от однофазной сети. Это обусловлено тем, что результирующее магнитное поле сохраняет вращение.

Подключение без конденсатора

Для подключения асинхронного двигателя в однофазную сеть без использования конденсаторов существуют две популярные схемы. Для обеспечения работы двигателя берутся синисторы с разнополярными импульсами управления и симметричный динистор.

Первая схема предназначена для электродвигателей с величиной номинального вращения от 1500 об/мин. В качестве фазосмещающего элемента выступает специальная цепочка. Схема соединения обмоток статора – треугольник.

Необходимо создать сдвинутое напряжение на конденсаторе путем изменения сопротивления. После того, как напряжение конденсатора достигнет нужного уровня, динистор переключится и включит заряженный конденсатор в схему запуска.

Вторая схема подходит для электродвигателей с большим пусковым сопротивлением или номинальной скоростью вращения от 3000 об/мин.

Очевидно, в данной ситуации необходимо создать сильный пусковой момент. Именно по этой причине в машинах этого типа для подключения статорных обмоток используется треугольник. Вместо фазосдвигающих конденсаторов в этой схеме применяются электронные ключи. Первый из них последовательно включается в цепь рабочей фазы, а второй – параллельно. В результате этой хитрости создается опережающий сдвиг тока. Однако данный способ эффективен только для двигателей 120˚ электрическим смещением.

Трехфазный электромотор можно подключить с помощью тиристорного ключа. Это, пожалуй, самый простой и эффективный способ подключения асинхронного двигателя в однофазную сеть без конденсаторов. Принцип его действия таков: ключ остается закрытым во время максимального сопротивления. Благодаря этому создается наибольший фазовый сдвиг и, соответственно, пусковой момент. По мере ускорения вала сопротивление снижается до оптимального уровня, сохраняющего сдвиг по фазе в пределах значения, обеспечивающего работу двигателя.

При наличии тиристорного ключа можно и вовсе отказаться от конденсаторов – он демонстрирует лучшие рабочие и пусковые характеристики даже для двигателей мощностью более 2 кВт.

История изобретения

Изобретение простейшего способа преобразования энергии из электрической в механическую принадлежит Майклу Фарадею. В 1821 году этот великий английский ученый провел эксперимент с проводником, опущенным в сосуд с ртутью, на дне которого лежал постоянный магнит. После подачи электричества на проводник он приходил в движение, вращаясь соответственно силовым линиями магнитного поля. В наши дни этот опыт часто проводят на уроках физики, заменяя ртуть рассолом.

Дальнейшее изучение вопроса привело к созданию Питером Барлоу в 1824 году униполярного двигателя, названного колесом Барлоу. В его конструкцию входят два зубчатых колеса из меди, расположенных на одной оси между постоянными магнитами. После подачи тока на колеса, в результате его взаимодействия с магнитными полями, колеса начинают вращаться. Во время опытов ученый установил, что направление вращения можно изменить, поменяв полярность (перестановкой магнитов или контактов). Практического применения «колесо Барлоу», но сыграло важную роль в изучении взаимодействия магнитных полей и заряженных проводников.

Первый рабочий образец устройства, ставшего прародителем современных двигателей, был создан русским физиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Принцип использования вращающегося ротора в магнитном поле, продемонстрированный в этом изобретении, практически в неизменном виде применяется современных двигателях постоянного тока.

А вот создание первого двигателя с асинхронным принципом работы принадлежит сразу двум ученым – Николе Тесла и Галилео Феррарис, по удачному стечению обстоятельств продемонстрировавшим свои изобретения в один год (1888). Через несколько лет двухфазный бесколлекторный двигатель переменного тока, созданный Николой Тесла уже использовался на нескольких электростанциях. В 1889 году русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский усовершенствовал изобретение Теслы для работы в трехфазной сети, благодаря чему смог создать первый асинхронный двигатель переменного тока мощностью более 100 Вт. Ему же принадлежит изобретение используемых сегодня способов подключения фаз в трехфазных электродвигателях: «звезда» и «треугольник», пусковых реостатов и трехфазных трансформаторов.

Преимущества и недостатки

Повсеместное использование асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• стабильностью работы на оптимальных нагрузках;
• высокой надёжностью в эксплуатации;
• низкие эксплуатационные затраты;
• долговечностью функционирования без обслуживания;
• сравнительно высокими показателями КПД;
• невысокой стоимостью, по сравнению с моделями на основе фазных роторов и с другими типами электромоторов.

Из недостатков можно отметить:

• высокие пусковые токи;
• чувствительность к перепадам напряжений;
• низкие коэффициенты скольжений;
• необходимость в применении устройств, таких как преобразователи частоты, пусковые реостаты и др., для улучшения характеристик электромотора;
• ЭД с короткозамкнутым ротором нуждаются в дополнительных коммутационных управляющих устройствах, в случаях, когда возникает необходимость регулировать скорость.

Электродвигатели данного типа имеют приличную механическую характеристику. Несмотря на недостатки, они лидируют по показателям их применения.

Отличие от синхронного двигателя

Наряду с простыми асинхронными электрическими машинами в промышленности также используются и синхронные агрегаты. Основным отличием синхронного двигателя является наличие вспомогательной обмотки на роторе, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, что показано на рисунке 4 ниже.

Рис. 4. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Эта обмотка создает магнитный поток, не зависящий от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Поэтому при возбуждении синхронного электродвигателя его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличии от асинхронного типа, где существует разница в движении, которая физически выражается как скольжение и рассчитывается по формуле:

где s – это величина скольжения, измеряемая в процентах, n₁ – частота, с которой вращается поле статора, n₂ – частота, с которой вращается ротор.

Синхронные электродвигатели применяются в тех устройствах, где важно соблюдать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Также они обеспечивают сохранение рабочих характеристик в момент пуска.

На практике существует огромное количество разновидностей асинхронных электродвигателей, отличающихся как сферой применения, так и мощностью согласно ГОСТ 12139-84 . В связи с тем, что все вариации перечислить невозможно, мы рассмотрим наиболее значимые критерии, по которым асинхронные аппараты разделяются на виды.

По количеству питающих фаз выделяют:

• трехфазные – используются в сетях, где есть возможность подключиться сразу ко всем фазам, но в частных случаях могут запускаться и в однофазной сети;
• двухфазные – применяются во многих бытовых приборах, состоят из двух рабочих обмоток, одна из которых питается напряжением сети, а вторая подключается через фазосдвигающий конденсатор.
• однофазные – как и предыдущая модель содержат две обмотки, одна из которых рабочая, а вторая пусковая.

По типу ротора различают:

• с короткозамкнутым ротором – имеет тяжелый пуск, но и меньшую стоимость;
• с фазным ротором – на роторе устанавливается вспомогательная обмотка, делающая работу электродвигателя более плавной.

По способу подачи питания:

• статорные – классические модели, в которых рабочие обмотки устанавливают на статор;
• роторные – рабочие обмотки помещаются на вращающемся элементе, широкое применение на практике получили асинхронные двигатели Шраге-Рихтера.

Реверс электродвигателя в однофазной сети

При подключении асинхронного двигателя в сеть с однофазным током управлять реверсом (обратным вращением) ротора можно с помощью третьей обмотки. Для этого необходим тумблер или аналогичный двухпозиционный переключатель. Сначала с ним через конденсатор соединяется третья обмотка. Два контакта тумблера подключаются к двум другим обмоткам. Такая простая схема позволит управлять направлением вращения, переводя переключатель в нужное положение.

Область применения

Однофазные электродвигатели находят широкое применение в бытовых устройствах или промышленных аппаратах малой механизации. Они охватывают относительно маломощное однофазное оборудование, которое питается от 220В.

Это различные станки для обработки древесины, металла, пластика и т.д. Также однофазные электродвигатели используются в установках сельскохозяйственной отрасли для смешивания зерновых, изготовления бетона и т.д. В быту их применяют в некоторых моделях микроволновок, вытяжек, стиральных машин и куллеров, питающихся от однофазного источника.

Подключение к однофазным и трехфазным источникам питания

По типу питающей сети электродвигатели переменного тока классифицируют на одно- и трехфазные.

Подключение асинхронных однофазных двигателей осуществляет очень легко – для этого достаточно подвести к двум выходам на корпусе фазный и нулевой провод однофазной 220В сети. Синхронные двигатели тоже можно запитывать от сети данного типа, однако подключение немного сложнее – необходимо соединить обмотки ротора и статора так, чтобы их контакты однополюсного намагничивания были расположены напротив друг друга.

Подключение к трехфазной сети представляется несколько более сложным. В первую очередь, следует обратить внимание, что клеммная коробка содержит 6 выводов – по паре на каждую из трех обмоток. Во-вторых, это дает возможность использовать один из двух способов подключения («звезда» и «треугольник»). Неправильное подключение может привести в поломке двигатель от расплавления обмоток статора.

Главное функциональное отличие «звезды» и «треугольника» заключается в различном потреблении мощности, что сделано для возможности включения машины в трехфазные сети с различным линейным напряжением — 380В или 660В. В первом случае следует соединять обмотки по схеме «треугольник», а во втором – «звездой». Такое правило включения позволяет в обоих случаях иметь напряжение 380В на обмотках каждой фазы.

На панели подключения выводы обмоток располагаются таким образом, чтобы перемычки, используемых для включения, не перекрещивались между собой. Если коробка выводов двигателя содержит только три зажима, значит, он рассчитан для работы от одного напряжения, которое указано в технической документации, а обмотки соединены между собой внутри устройства.

Изменение частоты вращения ротора

Параллельные обмотки двух фаз образуют одну пару полюсов сдвинутые в пространстве на 120 градусов. Последовательное соединение обмоток образует две пары полюсов, что дает возможность уменьшить скорость вращения в два раза. Для регулирования скорости вращения ротора изменением частоты тока используют отдельный источник тока или преобразователь энергии с регулируемой частотой, выполненный на тиристорах.

Двигатель развивает в момент пуска довольно значительный вращающий момент, и так как инерция его сравнительно невелика, то частота вращения ротора быстро нарастает и почти сравнивается с частотой вращения поля, так что относительная частота их становится почти равной нулю и ток в роторе быстро спадает.

Для двигателей малой и средней мощности кратковременная перегрузка их при пуске не представляет опасности, при запуске же очень мощных двигателей (десятки и сотни киловатт) применяются специальные пусковые реостаты, ослабляющие ток в обмотке; по мере достижения нормальной частоты вращения ротора эти реостаты постепенно выключают.

По мере того, как возрастает нагрузка двигателя, частота вращения ротора несколько уменьшается, частота вращения поля относительно ротора возрастает, и вместе с тем растут ток в роторе и развиваемый двигателем вращающий момент.

Однако для изменения мощности двигателя от нуля до нормального значения требуется очень небольшое изменение частоты вращения ротора, примерно до 6 % от максимального значения. Таким образом, асинхронный трехфазный двигатель сохраняет почти постоянную частоту вращения ротора при очень широких колебаниях нагрузки.

Регулировать эту частоту в принципе возможно, но соответствующие устройства сложны и неэкономичны и потому на практике применяются очень редко. Если машины, приводимые в действие двигателем, требуют иной частоты вращения, чем этот двигатель дает, то предпочитают применять зубчатые или ременные передачи с различными передаточными числами.

Основные технические характеристики

В зависимости от класса электродвигателя, его технические характеристики меняются. В рамках данной статьи не ставится задача приведения параметров всех существующих классов двигателей. Мы остановимся на описании основных технических характеристик для электромоторов классов 56 А2 – 80 В2.

В этом небольшом промежутке на линейке моделей эелектромоторов с короткозамкнутыми роторами можно отметить следующее:

Мощность составляет от 0,18 кВт (класс 56 А2) до 2,2 кВт (класс 80 В2).

Ток при максимальном напряжении – от 0,55 А до 5А.

КПД от 66% до 83%.

Частота вращения вала для всех моделей из указанного промежутка составляет 3000 об./мин.

Технические характеристики конкретного двигателя указаны в его паспорте.

Способы пуска и схемы подключения

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:

• прямой – напряжение на электродвигатель подается через пускатели или контакторы;
• переключение схемы соединения обмоток электродвигателя со звезды на треугольник;
• понижение напряжения;
• плавный пуск;
• изменение частоты питающего напряжения.

Однофазного асинхронного двигателя.

Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:

• С расщеплением полюсов – используется в электродвигателях особой конструкции, но недостатком методы является постоянная потеря мощности.

• С конденсаторным пуском – вводит пусковой конденсатор в момент запуска асинхронного двигателя и убирает его со схемы через несколько секунд после начала работы. Обладает максимальным вращательным моментом.
• С резисторным пуском электродвигателя – обеспечивает начальный сдвиг между векторами ЭДС обмоток для скольжения в асинхронной машине.

Трехфазного асинхронного двигателя.

Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:

• Напрямую в цепь через пускатель или контактор, что обеспечивает простоту процесса, но формирует максимальные токи. Этот способ не подходит в случае больших механических нагрузок на вал.
• Переключением схемы со звезды на треугольник – применяется для снижения токов в обмотках электродвигателя за счет уменьшения питающего напряжения с линейного на фазное.
• Путем подключения через преобразователь напряжения, реостаты или автотрансформатор для снижения разности потенциалов. Также используется изменение числа пар полюсов, частоты питающего напряжения и прочие.

Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.

Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования

Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.

Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом

Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Схемы подключения

Для того чтобы подключить трехфазный асинхронный двигатель используют несколько различных схем, но чаще всего применяются «треугольник» и «звезда».

Треугольник

Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).

В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.

Звезда

Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.

Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.

Возможность подключения двигателя тем или иным способом, как правило, указывается на его табличке. Значок Y означает «звезду», а ∆ — «треугольник». Определить схему на уже подключенной машине можно по виду обмоток – одна двойная перемычка между ними говорит, что использована «звезда» (первое фото снизу), а если между клеммами обмоток видно три перемычки – «треугольник» (первое фото сверху).

В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.

Подключение к трехфазной сети двигателя с короткозамкнутым ротором

Самыми эффективными и часто используемыми способами подключения асинхронного двигателя к трехфазной сети являются так называемые звезда и треугольник.

В конструкции двигателя с короткозамкнутым ротором есть всего шесть контактов обмоток – по три на каждой. Для того чтобы подключить асинхронный двигатель звездой необходимо соединить концы обмоток в одном месте, подобно лучам звезды. Примечательно, что в такой схеме напряжение у начал обмоток составляет 380 В, а на участке цепи, пролегающем между их соединением и местом подключения фаз – 220 В. Возможность включения двигателя данным методом указывается на его бирке символом Y.

Главное достоинство этой схемы в том, что она предотвращает возникновение перегрузок по току на электродвигателе при условии использования четырехполюсного автомата. Машина запускает плавно, без рывков. Недостаток схемы в том, что пониженное напряжение на каждой из обмоток не дает двигателю развивать максимальную мощность.

Если электродвигатель с короткозамкнутым ротором был подключен по схеме звезда, это можно заметить по общей перемычке на концах обмоток.

Для обеспечения предельной рабочей мощности трехфазного электродвигателя его подключают к сети треугольником. В этой схеме обмотки статора соединяются друг с другом по принципу конец-начало. При питании от трехфазной сети нет необходимости в соединении с рабочим нулем. Напряжение на участках цепи между выводами будет равняться 380 В. На табличке двигателя, подходящего для подключения треугольников, изображается символ ∆. Иногда производитель даже указывает номинальную мощность при использовании той или иной схемы.

Главный недостаток треугольника – пусковые токи слишком большой величины, которые иногда перегружают проводку и выводят её из строя. В качестве оптимального решения изредка создают комбинированную схему, в которой запуск и набор скорости происходит при «звезде», а затем обмотки переключают на «треугольник».

Подключение

Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.

Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.

Схемы включения понятны из рисунка 4.

Рис. 4. Схемы подключения

Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.

Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть

С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.

Функциональные и эксплуатационные особенности

Характерные преимущества асинхронных двигателей:

• В их конструкции нет коллекторных групп, которые увеличивают износ других видов двигателей за счет дополнительного трения.
• Питание асинхронных электрических машин не требует использования преобразователей и может осуществляться промышленной трехфазной сети.
• Из-за меньшего количества деталей и конструктивных элементов они относительно легко обслуживаются и имеют большой срок службы.

Среди недостатков можно отметить:

• Сфера применения асинхронных двигателей несколько ограничена из-за малого пускового момента.
• Высокая реактивная мощность, которую они потребляют во время работы, не оказывает влияние на механическую мощность.
• Большие пусковые токи, потребляемые на пуске этих двигателей, могут превышать допустимые значения некоторых систем.

Применение

На сегодняшний день электродвигатели со спецификацией на переменный ток распространены во всех сферах промышленности и жизнедеятельности. На электростанциях они устанавливаются в качестве генераторов, используются в производственном оборудовании, автомобилестроении и даже бытовой технике. Сегодня в каждом доме можно встретить как минимум одно устройство с электрическим двигателем переменного тока, например, стиральную машину. Причины столь большой популярности заключаются в универсальности, долговечности и легкости обслуживания.

Среди асинхронных электрических машин наибольшее распространение получили устройства с трехфазной спецификацией. Они являются наилучшим вариантом для использования во многих силовых агрегатах, генераторах и высокомощных установках, работа которых связана с необходимостью контроля скорости вращения вала.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Как производятся расчеты

Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:

И выразить из нее скорость вращения ротора:

В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.

При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:

Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:

И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.