Двигатель переменного тока – типы, устройство, принцип работы, параметры, производители

Содержание

Появление электродвигателей переменного тока - Control Engineering Russia

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущих статьях [1, 2] описывались первые электрические двигатели с питанием от гальванических батарей. Однако во второй половине XIX века в связи с развитием электрического освещения и дальней передачи электроэнергии появились сети однофазного переменного тока [3]. Это и дало толчок к изобретению электродвигателей переменного тока.

Двигатель Уитстона

Рис. 1. Двигатель Уитстона

Первый однофазный двигатель был предложен в 1841 г. английским физиком Чарльзом Уитстоном (Charles Wheatstone), известным также своими изобретениями в области электрогенераторов и измерительной техники. Такой двигатель подключается к источнику переменного тока и содержит (рис. 1) статор с шестью электромагнитами (1) и ротор (2) в виде медного диска с тремя подково­образными магнитами (3) полярностью

N и S.

Все электромагниты включены последовательно так, что при любой полярности питающего напряжения в промежутках между ними формируются магнитные потоки или полюса чередующейся полярности n и s, показанные на рис. 1 в начальный момент времени t1 для положительного полупериода питающего напряжения. Предположим, что ротор вращается против часовой стрелки, и рассмотрим силы, действующие на верхний магнит ротора (аналогично работают и остальные магниты). Поскольку разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются, вращающий момент ротора будет направлен против часовой стрелки, поддерживая его вращение. Если ротор двигателя успеет за полупериод напряжения повернуться на 60°, то в следующий полупериод все полюса статора поменяют полярность и ротор повернется еще на 60°. Таким образом, ротор будет поворачиваться синхронно с частотой перемагничивания электромагнитов (частотой сети), отчего подобные двигатели по предложению Чарльза Штейнмеца и получили название синхронных.

Двигатель Уитстона

Рис. 2. Векторная диаграмма двигателя

Магнитное поле статора такого двигателя можно изобразить в виде вектора (рис. 2), где Ф1, Ф2,… Ф6 — магнитные потоки статора, взаимодействующие с ротором в последовательные моменты времени t1, t2, … t6, когда питающее напряжение меняет свой знак. Получается, что вектор магнитного потока статора шагает по окружности синхронно с ротором, поэтому такое магнитное поле можно назвать шагающим.

При реальных частотах сети 50–60 Гц такой двигатель, конечно, запуститься не сможет, но если его ротор раскрутить, например, вручную или другим двигателем до синхронной скорости, то он будет устойчиво работать с частотой вращения, пропорциональной частоте сети. При электрификации Лондона посредством однофазного напряжения в 1889 г. в качестве такого «раскруточного» двигателя применили так называемый универсальный двигатель (рис. 3) с обмотками якоря (1) и возбуждения (2). Его конструкция была разработана в 1884–85 гг. независимо друг от друга Вернером Сименсом и соавторами трансформатора, венгерскими инженерами Микша Дери и Отто Блати [4–6].

Двигатель Уитстона

Рис. 3. Универсальный двигатель

Универсальные двигатели до сих пор широко применяются при мощности до нескольких киловатт, особенно в бытовой технике. Они привлекают производителей легкостью изменения скорости с помощью регулирования напряжения, как в обычном двигателе постоянного тока. Однако для мощных приводов такое регулирование было в то время затруднительным. Поэтому для электрической тяги на железных дорогах и в лифтах с питанием от сети переменного тока стали применять так называемый репульсионный двигатель, изобретенный в 1885 г. знаменитым американским электротехником Илайю Томсоном (Elihu Thomson) и усовершенствованный позднее Микша Дери [3, 5, 6].

Репульсионный двигатель

Рис. 4. Репульсионный двигатель

Илайю Томсон (1853–1937), родом из Англии, соединял в себе таланты блестящего университетского профессора, крупного инженера, плодовитого изобретателя (696 патентов) и успешного предпринимателя [7]. Он разработал различные системы электрического освещения, высокочастотные генератор и трансформатор, самопишущий ваттметр, один из способов электросварки, а также, например, улучшил рентгеновские трубки. Томсон основал электротехнические компании в Англии, Франции и США. В 1892 г. его компания Thomson–Houston слилась с компанией Эдисона, образовав крупнейшую электротехническую компанию мира — General Electric.

По конструкции репульсионный двигатель, схема которого показана на рис. 4, похож на универсальный двигатель с якорем (1) и возбуждением в виде электромагнита (2). Отличие состоит в том, что щетки двигателя (3) закорочены и могут вручную поворачиваться [8]. При питании переменным напряжением в закороченной обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток, направление которого, в соответствии с законом Ленца, таково, что создаваемый им поток противодействует магнитному потоку статора.

Тогда, если в некоторый полупериод питающего напряжения электромагнит (2) имеет полюс N внизу, то якорь (1) — такой же полюс наверху, как показано на рис. 4, что приведет к их взаимному отталкиванию и вращению ротора по часовой стрелке. Это и объясняет название двигателя, которое в дословном переводе означает «отталкивающийся». При этом величина наводимой ЭДС, а значит, и вращающего момента определяются положением щеток. Когда они горизонтальны, ЭДС и момент максимальны (режим пуска). Далее при повороте щеток против часовой стрелки момент будет падать, а скорость нарастать. Таким образом, пуск и скорость репульсионного двигателя легко регулируются разворотом щеток без изменения напряжения питания.

Тем не менее проблемы всех коллекторных двигателей, связанные с искрением, помехами и быстрым износом, были решены лишь после создания асинхронного двигателя. По своему устройству он гораздо проще любого двигателя постоянного тока, поэтому удивительно, что он был изобретен почти на полстолетия позже, несмотря на то, что, как отмечал Илайю Томсон: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению» [5].

Галилео Феррарис (1847–1897)

Рис. 5. Галилео Феррарис (1847–1897)

Асинхронный двигатель базируется на концепции вращающегося магнитного поля, выдвинутой практически одновременно в середине 1880-х гг. двумя выдающимися учеными — Николой Теслой [3] и итальянским профессором физики Галилео Феррарисом (Galileo Ferraris) (рис. 5). Последний родился на севере Италии в семье фармацевта и после окончания Туринского университета стал профессором Музея индустрии, где изучал трансформаторы, многофазные цепи, линии передачи переменного тока, а также оптические приборы. Он прожил короткую жизнь, но успел заслужить в Европе звание «отца трехфазного тока» [5, 9, 10].

Если вернуться к концепции, то во вращающемся магнитном поле вектор магнитного потока статора постоянен по величине, но, в отличие от шагающего поля (рис. 2), непрерывно (равномерно) вращается с синхронной скоростью. Тогда очевидно, что ротор в виде магнита, помещенный внутри такого поля, будет вовлекаться им в синхронное вращение, что и происходит в рассмотренном выше двигателе Уитстона. Однако выяснилось, что аналогично будет вращаться и немагнитный ротор из любого проводящего металла. Еще в 1824 г. известный французский физик академик Доминик Араго (Dominique Arago) продемонстрировал опыт, названный им «магнетизмом вращения» [5] и показанный на рис. 6.

Опыт Араго

Рис. 6. Опыт Араго

Диск (1) из меди или стали на стеклянной пластине (2) вращался в том же направлении, что и вращающийся магнит (3). Объяснение этому загадочному явлению нашел Майкл Фарадей в 1831 г. после открытия закона электромагнитной индукции (закона Фарадея). Согласно ему, вращающееся магнитное поле магнита индуцирует в диске вихревые токи, создающие собственное магнитное поле, взаимодействующее с вращающимся.

Опыт Бейли

Рис. 7. Опыт Бейли

Этот принцип и лежит в основе современных асинхронных двигателей (в английской литературе — индукционных), имеющих металлический ротор и отличающихся только тем, что в них вращающееся магнитное поле образуется неподвижной обмоткой статора. Первый шаг к созданию такого двигателя был сделан английским физиком Уолтером Бейли (Walter Bailey) в 1879 г., заменившим в опыте Араго вращающийся магнит на четыре электромагнита (2–5), токи в которых переключались последовательно вручную (рис. 7) [5, 10]. Но такое устройство создавало шагающее через 90o магнитное поле. А как получить непрерывно (равномерно) вращающееся магнитное поле?

На этот вопрос ответил вышеупомянутый Феррарис в 1888 г. в докладе Туринской академии наук, математически сформулировав два условия [5, 10]:

  1. Обмотка двигателя должна содержать две независимые части (называемые теперь фазами), магнитные потоки которых геометрически взаимно перпендикулярны.
  2. Фазы должны быть запитаны двумя гармоническими напряжениями, сдвинутыми на четверть периода (синус и косинус).

Позднее Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил называть такую систему токов Drehstrom, что в дословном переводе с немецкого означает «вращательный ток» [6].

Двухфазный двигатель Феррариса

Рис. 8. Двухфазный двигатель Феррариса

Свою теорию Феррарис блестяще подтвердил макетом двигателя мощностью 3 Вт (рис. 8), имеющего ротор (1) в виде полого медного стаканчика и статор (2) с фазами A и B. Фазы разделены на две секции с разным числом витков, намотанных проводом разного диаметра так, чтобы создавать индуктивный сдвиг фаз токов в 90° при питании от однофазной сети.

В 1890 г. французские инженеры Морис Хитин (Maurice Hutin) и Морис Леблан (Maurice Leblanc) предложили использовать для сдвига фаз токов конденсатор [6]. В таком виде двухфазный двигатель дожил до наших дней под названием конденсаторного двигателя. При этом габариты конденсатора соизмеримы с размерами самого двигателя, поэтому данное техническое решение пригодно только для маломощных двигателей.

Сам Феррарис также заявлял, что «…аппарат, основанный на исследованном нами принципе, не может иметь никакого промышленного значения как двигатель» [10]. Поэтому он его не запатентовал (как, впрочем, и остальные свои открытия) и отклонил, в отличие от Теслы, предложение Вестингауза о сотрудничестве. Тем не менее его работы дали впоследствии повод оспаривать патенты Теслы в некоторых из 25 судебных процессов компании Вестингауза [5, 9]. Пессимистический вывод о перспективах своего двигателя Феррарис сделал, оценив величину его КПД в точке максимума мощности на валу — ниже 50%. Однако в данной точке это справедливо и для двигателей постоянного тока. Поэтому в дальнейшем рабочие точки стали выбирать ближе к скорости холостого хода, где в идеале КПД любого электродвигателя стремится к 100%.

Двигатель Теслы

Рис. 9. Двигатель Теслы

Совершенно по другому пути пошел Тесла, предложив в 1887 г. многофазные системы, где сдвинутые напряжения питания фаз вырабатывались питающим генератором, как показано, например, на рис. 9, где: 1 — генератор, 2 — двухфазный двигатель, 3 — контактные кольца генератора, 4 — обмотка ротора (кольца двигателя не показаны) [5, 10].

При положении переключателя ON ротор запитывается постоянным напряжением, и это двухфазный синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением. В положении OFF обмотка ротора закорачивается, и получается асинхронный двигатель, названный Теслой индукционным. Эксперт патентного ведомства поначалу не поверил в работоспособность такого странного двигателя, пока Тесла не продемонстрировал ему действующий макет (рис. 10).

Макет двигателя Теслы

Рис. 10. Макет двигателя Теслы

Двигатели Теслы и Феррариса легко запускались от питающей сети, однако с увеличением нагрузки их скорость падала, что подтверждается принципиальным отличием асинхронного двигателя от синхронного. Действительно, асинхронный двигатель развивает вращающий момент лишь при наличии тока, а следовательно, и ЭДС, индуцируемой в роторе. А, по закону Фарадея, это возможно лишь тогда, когда ротор пересекает силовые линии поля статора, т. е. когда скорости их вращения не одинаковы (не синхронны).

Как описано в статье [3], Тесла вместе с Вестингаузом начали активно внедрять асинхронные двигатели в жизнь, однако они были доведены до совершенства и приняли современный вид лишь благодаря трудам нашего соотечественника Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, которые будут рассмотрены в следующих статьях.

Что касается многофазных синхронных двигателей, то они нашли широкое применение там, где требуется стабильная скорость вращения, например в компрессорах, приводах генераторов и т. д. Синхронные двигатели с постоянными магнитами входят в состав современных вентильных двигателей, создающих все большую конкуренцию пока еще наиболее распространенным электродвигателям постоянного тока.

  • Потребность в двигателях переменного тока возникла при внедрении однофазных осветительных сетей. Первым стал синхронный двигатель Уитстона с постоянными магнитами (1841 г.).

  • Однако такие двигатели не имели пускового момента, поэтому на практике применялись универсальные двигатели Сименса и репульсионные двигатели Томсона (1884-5 гг).

  • Достаточно мощные двигатели для промышленности были созданы только в середине 1880-х гг., после того как концепция вращающегося магнитного поля была математически сформулирована Феррарисом и реализована в многофазных синхронных и асинхронных двигателях Теслы, запущенных в производство на заводах Вестингауза.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

controlengrussia.com

Электродвигатель переменного тока — асинхронный, коллекторный, однофазный и трехфазный

Электродвигатели переменного тока

Легкость преобразования напряжения переменного тока сделала его наиболее широко используемым в электроснабжении. В сфере конструирования электродвигателей открылось другое достоинство переменного тока: возможность создания вращающегося магнитного поля без дополнительных преобразований или с их минимальным количеством.

Поэтому, даже несмотря на определенные потери из-за реактивного (индуктивного) сопротивления обмоток, простота создания электродвигателей переменного тока внесла свой вклад в победу над электроснабжением постоянным током в начале XX века.

Принципиально электродвигатели переменного тока можно разделить на две группы:

Асинхронные
B них вращение ротора отличается по скорости от вращения магнитного поля, благодаря чему они могут работать на самых разных оборотах. Этот тип электродвигателей переменного тока наиболее распространен в наше время.
Синхронные
Эти двигатели имеют жесткую связь оборотов ротора и скорости вращения магнитного поля. Они сложнее в производстве и менее гибки в применении (изменение оборотов при фиксированной частоте питающей сети возможно только изменением числа полюсов статора).

Они находят применение только на высоких мощностях в несколько сотен киловатт, где их больший по сравнению с асинхронными электродвигателями КПД значительно снижает тепловые потери.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА АСИНХРОННЫЙ

Наиболее распространенный тип асинхронного двигателя – это электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», где в наклонные пазы ротора уложен набор токопроводящих стержней, с торцов соединенных кольцами.

Электродвигатели переменного тока асинхронные

История этого типа электродвигателей насчитывает более сотни лет, когда было замечено, что токопроводящий предмет, помещенный в зазор сердечника электромагнита переменного тока, стремится вырваться из него за счет возникновения в нем ЭДС индукции с противонаправленным вектором.

Таким образом, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет каких-либо механических контактирующих узлов, кроме опорных подшипников ротора, что обеспечивает моторам такого типа не только низкую цену, но и высочайшую долговечность. Благодаря этому электродвигатели такого типа стали наиболее распространенными в современной промышленности.

Однако им присущи и определенные недостатки, которые приходится учитывать при проектировании асинхронных электродвигателей подобного типа:

Высокий пусковой ток – так как в момент включения асинхронного бесколлекторного электродвигателя в сеть на реактивное сопротивление обмотки статора еще не влияет магнитное поле, создаваемое ротором, возникает сильный бросок тока, в несколько раз превосходящий номинальный ток потребления.

Эту особенность работы двигателей подобного типа необходимо закладывать во все проектируемое электроснабжение во избежание перегрузок, особенно при подключении асинхронных электродвигателей к мобильным генераторам с ограниченной мощностью.

Низкий пусковой момент – электродвигатели с короткозамкнутой обмоткой имеют ярко выраженную зависимость крутящего момента от оборотов, поэтому их включение под нагрузкой крайне нежелательно: значительно увеличиваются время выхода на номинальный режим и пусковые токи, обмотка статора перегружается.

Так, например, происходит при включении глубинных насосов – в электроцепях их питания приходится учитывать пяти-семикратный запас по току.

Невозможность непосредственного запуска в цепях однофазного тока — для того, чтобы ротор начал вращаться, необходим стартовый толчок либо введение дополнительных фазных обмоток, сдвинутых по фазе друг относительно друга.

Для запуска асинхронного электродвигателя переменного тока в однофазной сети используется либо вручную коммутируемая пусковая обмотка, отключаемая после раскрутки ротора, либо вторая обмотка, включенная через фазовращательный элемент (чаще всего – конденсатор необходимой емкости).

Особенности подключения электрических двигателей рассматриваются на этой странице.

Отсутствие возможности получения высокой частоты вращения — хотя вращение ротора и не синхронизировано с частотой вращения магнитного поля статора, но и не может его опережать, поэтому в сети 50 Гц максимальные обороты для асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором – не более 3000 об/мин.

Увеличение частоты вращения асинхронного двигателя требует применения частотного преобразователя (инвертора), что делает такую систему дороже, чем коллекторный двигатель. Кроме того, при увеличении частоты возрастают реактивные потери.

Трудность организации реверса — для этого необходима полная остановка двигателя и перекоммутация фаз, в однофазном варианте – смещение фазы в пусковой или второй фазной обмотке.

Наиболее удобно использование асинхронного электродвигателя в промышленной трехфазной сети, так как создание вращающегося магнитного поля при этом осуществляется самими фазными обмотками без дополнительных приспособлений.

Фактически цепь, состоящую из трехфазных генератора и электромотора, можно рассматривать как пример электро трансмиссии: привод генератора создает в нем вращающееся магнитное поле, преобразуемое в колебания электрического тока, в свою очередь возбуждающего вращение магнитного поля в электродвигателе.

Кроме того, именно при трехфазном питании асинхронные электродвигатели имеют наибольший КПД, так как в однофазной сети создаваемое статором магнитное поле по сути может быть разложено на два противофазных, что увеличивает бесполезные потери на перенасыщение сердечника. Поэтому мощные однофазные электродвигатели как правило выполняются по коллекторной схеме.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА КОЛЛЕКТОРНЫЙ

В электромоторах данного типа магнитное поле ротора создается фазными обмотками, подключенными к коллектору. Фактически коллекторный двигатель переменного тока отличается от двигателя постоянного тока только тем, что в его расчет заложено реактивное сопротивление обмоток.

В ряде случаев даже создаются универсальные коллекторные двигатели, где статорная обмотка имеет отвод от неполной части для включения в сеть переменного тока, а к полной длине обмотки может подключаться источник тока постоянного.

Преимущества данного типа двигателей очевидны:

Возможность работы на высоких оборотах позволяет создавать коллекторные электромоторы с частотой вращения до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту, знакомые всем по электрическим бормашинам.

Отсутствие необходимости в дополнительных пусковых устройствах в отличие от двигателей с короткозамкнутым ротором.

Высокий пусковой момент, что ускоряет выход на рабочий режим, в том числе и под нагрузкой. Более того, крутящий момент коллекторного электродвигателя обратно пропорционален оборотам и при росте нагрузки позволяет избежать просадки частоты вращения.

Легкость управления оборотами — так как они зависят от напряжения питания, для регулировки частоты вращения в широчайших пределах достаточно иметь простейший симисторный регулятор напряжения. При отказе регулятора коллекторный двигатель может быть включен в сеть напрямую.

Меньшая инерция ротора — он может быть выполнен гораздо более компактным, чем при короткозамкнутой схеме, благодаря чему и сам коллекторный двигатель становится заметно меньше.

Также коллекторный двигатель элементарно может быть реверсирован, что особенно актуально при создании различного рода электроинструмента и ряда станков.

По этим причинам коллекторные двигатели широко распространены во всех однофазных потребителях, где необходимо гибкое регулирование оборотов: в ручном электроинструменте, пылесосах, кухонной технике и так далее. Однако ряд конструктивных особенностей определяет специфику эксплуатации коллекторного электродвигателя:

Коллекторные двигатели требуют регулярной замены щеток, изнашивающихся со временем. Изнашивается и сам коллектор, в то время как двигатель с короткозамкнутым ротором, как уже писалось выше, при условии нечастой замены подшипников практически вечен.

Неизбежное искрение между коллектором и щетками (причина появления всем знакомого запаха озона при работе коллекторного электродвигателя) не только дополнительно снижает ресурс, но и требует повышенных мер безопасности при работе из-за вероятности воспламенения горючих газов или пыли.

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов


eltechbook.ru

Электродвигатель переменного тока история создания

Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током.

Введение

По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

Второе название асинхронных машин

В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

 

Достоинства и недостатки

Достоинства:

  • Лёгкость в изготовлении.
  • Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

Недостатки:

  • Небольшой пусковой момент.
  • Значительный пусковой ток.

История

Приоритет в создании асинхронного двигателя принадлежит Николе Тесле

Вклад в развитие асинхронных двигателей внес Галилео Феррарис, который в 1885 г. в Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт. В 1888 г. Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской Академии Наук в Турине (в том же году, Тесла получил патент США 381,968 от 01.05.1888 (U.S. Patent 0 381 968|заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррариса в том, что сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и была прочитана в июле 1888 г. выпускником Дармштадтского Высшего технического училища, выходцем из России Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским.

Доливо-Добровольский установил, что для создания вращающегося магнитного поля - основы работы асинхронного двигателя - технически и экономически целесообразно применение симметричной трехфазной магнитной системы, со сдвигом фаз на 120 электрических градусов. Трехфазный асинхронный электродвигатель, изготовленный Доливо-Добровольским в 1889 г., продемонстрировал высокую эффективность и неоспоримые преимущества перед двухфазными двигателями Феррариса и Тесла. По словам изобретателя: "уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представлений того времени действие… попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась, и только при особой ловкости было возможно воспрепятствовать таким способом его запуску при включении. Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей". Несмотря на это отношение к переменному току у многих оставалось сдержанным. Корифей электротехники Т. Эдисон отказался даже осмотреть новое изобретение, заявив: «Нет, нет, переменный ток - это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем». Вскоре Доливо-Добровольскому удалось решить все основные проблемы, связанные с конструкцией двигателя, устройство которого до настоящего времени принципиально не менялось.

Первая демонстрация

Первой демонстрацией практического применения асинхронного двигателя и трехфазной системы стала Международная электротехническая выставка 1891 г. во Франкфурте-на-Майне. Выставку с гидроэлектростанцией на реке Неккар в городе Лауфен соединила 170-километровая линия электропередачи. А 25 августа на выставке зажглась тысяча электроламп, питаемых током от Лауфенской электростанции. Затем был пущен трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт, приводивший в действие декоративный дестиметровый водопад. Разработки Доливо-Добровольского вскоре были внедрены в производство. Простой, экономичный и надежный двигатель переменного тока, получил широкое распространение и послужил стимулом для развития техники переменных токов и электроэнергетики в целом. В России фирма AEG в конце 90-х гг. XIX в. развернула сеть агентств в Москве, Санкт-Петербурге, Ростове и других городах, занимавшихся реализацией изделий своих германских предприятий. Генеральное представительство этой фирмы располагалось в Москве, в Лубянском проезде, рядом с Политехническим музеем.

Трехфазный асинхронный электродвигатель типа "DR8O" мощностью 6 л.с. (4 кВт) выпуска 90-х гг. XIX в. из собрания Политехнического музея является одним из первых серийных трехфазных двигателей фирмы AEG. Об этом свидетельствует наличие кольцевой обмотки на статоре. Впоследствии от таких обмоток отказались, перейдя на более совершенные - барабанные.

Заключение

Основные элементы двигателя - трехфазная обмотка статора, шихтованный ротор с короткозамкнутой обмоткой типа "беличья клетка" - предложены и разработаны Доливо-Добровольским. Работа асинхронного двигателя основана на электромагнитном взаимодействии между статором и ротором. Токи статорных обмоток создают вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцируют токи в короткозамкнутой обмотке ротора. В результате взаимодействия токов ротора с магнитным полем статора создается вращающий момент.

Связанное оборудование (products tags):

vibromotors.ru

Что такое электродвигатель

Электрический двигатель (электродвигатель) является устройством для преобразования электрической энергии в механическую и приведения в движение машин и механизмов. Электродвигатель – главный и обязательный (но не единственный) элемент электропривода.

Первые электродвигатели были изобретены еще в первой ХІХ ст., а с конца того же столетия стали получать все большее распространение. Современные промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство, быт уже невозможно представить без электрических двигателей.

Преобладающее большинство электрических двигателей являются двигателями вращательного движения (рис. 1). Они состоят из неподвижной части (статора) и подвижной (ротора). Ротор начинает вращаться после подачи питания к обмоткам двигателя. Однако для ряда механизмов, выполняющих поступательное или возвратно-поступательное движение (суппорты и столы металлорежущих станков, некоторые транспортные средства), с целью упрощения конструкции механической части электропривода иногда используют линейные двигатели. Подвижная часть таких двигателей (вторичный элемент или бегун) осуществляет линейное перемещение (рис. 2).

В зависимости от рода электрического тока, применяемого для питания электродвигателей, различают двигатели постоянного и переменного тока.


Рис. 1 Электродвигатели вращательного движения
Рис. 2 Линейный электродвигатель: 1 – статор, 2 – подвод питания, 3 – бегун

Принцип действия любого электродвигателя основывается на взаимодействии магнитных полей. Если приблизить один магнит к другому, то разноименные их полюса будут притягиваться друг к другу, а одноименные – отталкиваться. В двигателе роль по крайней мере одного из магнитов играет катушка с током (то есть электромагнит). Известно, протекание по проводнику электрического тока вызывает появления магнитного поля вокруг проводника (рис. 3). Это поле имеет коаксиальный характер, а направление его магнитных силовых линий можно определить с помощью «правила буравчика». В соответствии с этим правилом, если буравчик закручивать в проводник таким образом, чтобы направление поступательного движения буравчика совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика покажет направление магнитных силовых линий поля (стрелки на рис. 3).


Рис. 3 Возникновение магнитного поля проводника с током

На рис. 4 показан поперечный разрез проводника. Внутри разреза условно показано направление тока: крест («хвост» стрелки тока) – ток от зрителя (рис. 4а), точка («острие» стрелки тока) – ток на зрителя (рис. 4б). Из рис. 4в, г видно, что магнитное поле замкнутой рамки (кольца) с током подобно магнитному полю постоянного магнита (силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный). Таким образом, рамка с током представляет собой элементарный электромагнит.


Рис. 4 Магнитные силовые линии проводников с током: а – ток от зрителя, б – ток на зрителя, в – рамка с током, г – силовые линии рамки (кольца) с током

Электрические двигатели переменного тока

К двигателям переменного тока относятся синхронные, шаговые (разновидность синхронных) и асинхронные двигатели. Их объединяет то, что по их обмоткам обмотками протекают знакопеременные токи, а питаются они от источников знакопеременного напряжения.

Статор электродвигателей переменного тока представляет из себя сердечник (магнитопровод) из листов специальной электротехнической стали, в котором сделаны отверстия (пазы) для размещения обмотки (фрагмент магнитопровода статора показан на рис. 5). Обмотка состоит из отдельных секций (катушек, рамок). Внутри статора на подшипниках помещен ротор, способный свободно вращаться вокруг своей оси.


Рис. 5 Магнитопровод статора двигателя переменного тока

На рис. 6 схематично показан поперечный разрез статора и ротора. На противоположных сторонах статора в двух пазах размещены проводники элементарной катушки обмотки. Эта катушка выглядит так, как на рис. 4в и к ней можно подати напряжение от постороннего источника с той или другой полярностью (как на рис. 4в). На роторе располагается постоянный магнит (полюса Nr и Sr). Если к обмотке статора подать постоянный ток такого направления, как показано на рис. 6а, возникает магнитное поле статора с полюсами Ns и Ss. Ротор поворачивается по часовой стрелке, чтобы совместить противоположные полюса полей ротора и статора (окончательное положение ротора показано штриховой линией). Если полярность тока статора противоположна (рис. 6б), полюса статора поменяются местами, а ротор будет поворачиваться в противоположном направлении.


Рис. 6 Взаимодействие магнитных полей статора и ротора

Чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора, на статоре размещают несколько отдельных обмоток, питаемых от отдельных источников. На рис. 7 показан поперечный разрез двигателя с тремя обмотками статора (красная А, синяя В, зеленая С). Подобный двигатель называется трехфазным, а его обмотки – фазными. Обмотки представляют собой элементарные рамки из проводника (как на рис. 4в), сдвинутые в пространстве на 120 градусов друг относительно друга. На рис. 7 ток протекает только по обмоткам со значками точки и крестика.


Рис. 7 Принцип действия синхронного двигателя

Если подать ток к обмотке А так, как показано на рис. 7а, магнитная ось поля статора займет горизонтальное положение, а южный полюс поля ротора после его поворота совместится с северным полюсом поля статора. Протекание тока по обмотке С приведет к повороту магнитной оси статора (а за ним – ротора) на 60 по часовой стрелке (рис. 7б). Затем ток подается в обмотку В (рис. 7в). После этого ток протекает по обмоткам А, С, В, но в противоположном направлении (сравните рис. 7а и 7г, 7б и 7д, 7в и 7е). С каждым переключение обмоток магнитная ось статора, а за нею – и ротор будут поворачиваться на следующие 60 градусов. Если после очередного переключения тока в обмотках продлить протекание тока в последней обмотке, ротор останется неподвижным. Именно таким есть принцип действия шагового двигателя. Такие двигатели используют для дозированного поворота вала механизма на заданный угол (например, в электромеханических часах и принтерах). Изменить направление вращения ротора можно, изменив порядок подключения обмоток к положительному полюсу источника (А-С-В вместо А-В-С).

Подавая попеременно ток в фазные обмотки (рис. 8), можно обеспечить непрерывное вращение ротора. Обратите внимание, что токи ІA, ІB, ІC фазных обмоток сдвинуты во времени друг по отношению к другу на треть периода Т. Изменяя период переключения тока в обмотках, можно регулировать скорость вращения ротора. Для изменения движущего момента электродвигателя изменяют величину тока обмоток статора или индукцию магнитного поля ротора (если на роторе вместо постоянных магнитов установлена обмотка возбуждения, т.е., электромагнит).


Рис. 8 Изменение во времени токов обмоток статора шагового двигателя

В трехфазном шаговом двигателе магнитное поле статора может занимать в пространстве только 6 положений (см. рис. 7), а перемещается оно между ними скачками. Вследствие этого возникают пульсации движущего момента электродвигателя, а обеспечить плавное вращение очень трудно. Если токи фазных обмоток изменять не ступенчато (как на рис. 8), а по закону синуса со сдвигом в треть периода (рис. 9), поле статора будет вращаться плавно (т.н. вращающееся магнитное поле). Ротор со временем догонит поле статора и далее будет вращаться синхронно с ним. Именно в таком режиме работают синхронные двигатели.


Рис. 9 Фазные токи синхронного двигателя

У асинхронного двигателя такой же статор, как и у синхронного, а по обмоткам статора также протекают синусоидальные токи (как на рис. 9). Однако конструкция ротора своеобразна (рис. 10). Ротор набран из листов электротехнической стали (как и статор). В пазах ротора уложены стержни (алюминиевые или медные), которые на торцах ротора замкнуты с помощью колец. Если ротор вращается со скоростью, меньшей скорости поля статора, в обмотке ротора полем статора наводится электродвижущая сила, которая приводит к протеканию по обмотке ротора токов. Токи вызывают появление магнитного поля ротора, а взаимодействие двух полей – создание движущего момента, который поворачивает ротор. Поскольку движущий момент возникает только тогда, когда скорости ротора та поля статора неодинаковы, ротор не может двигаться синхронно з полем статора (отсюда и название двигателя: асинхронный, т.е. «несинхронный»). Благодаря простоте конструкции, дешевизне и надежности асинхронные двигатели получили наибольшее распространение.

Конструкция асинхронного электродвигателя показана на рис. 11, 12.


Рис. 10 Ротор асинхронного двигателя: а – короткозамкнутая обмотка, б – поперечный разрез ротора Рис. 11 Асинхронный двигатель (разрезано) Рис. 12 Асинхронный двигатель в разобранном виде

Двигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока, в отличие от двигателей переменного тока, питается от источника постоянного тока. Магнитное поле статора создается неподвижными постоянными магнитами, а на роторе (иначе - якоре) расположена обмотка. Якорь жестко соединен с валом и может вращаться вокруг свои оси. Таким образом, конструктивно двигатель постоянного тока является обратной синхронной машиной.

Принцип действия двигателя постоянного тока поясняет рис. 13. Поле статора создают постоянные магниты или электромагниты (обмотки возбуждения). На ферромагнитном сердечнике якоря помещена обмотка, состоящая из двух последовательно включенных частей (их соединяет показанный пунктиром проводник). На якоре также размещены изолированные друг от друга коллекторные пластины, к которым присоединены концы обмотки якоря. К коллекторным пластинам через неподвижные графитные щетки от источника питания подается постоянный ток. Если верхнюю щетку подключить к положительному полюсу источника питания, а нижнюю – к отрицательному, по обмотке якоря будет протекать ток І, показанный на рис. 13. По правилу буравчика левый полюс якоря станет северным, правый – южным. Полюса якоря и статора будут отталкиваться друг от друга, вызывая поворот якоря по часовой стрелке. Якорь, поворачиваясь, по инерции «проскакивает» положение «северный по-люс против южного», и под щетками оказывается другие коллекторные пластины. Направление тока в обмотке якоря меняется на противоположное, полюса якоря меняются местами, и вращение якоря продолжается. Для изменения направления вращения якоря следует изменить полярность напряжения, поданного к щеткам.

Конструкцию, подобную показанной на рис. 13, имеют маломощные двигатели (используемые, например, в детских игрушках). В промышленных двигателях для обеспечения плавности движения якорь имеет много отдельных секций обмотки, соединенных с отдельными парами коллекторных пластин (подобно рис. 14). При вращении якоря через пару щеток к источнику подключается каждый раз следующая секция якоря, которая в данном положении якоря имеет наибольшую магнитную связь с полем статора.


Рис. 13 К принципу действия двигателя постоянного тока Рис. 14 Якорь двигателя постоянного тока

В электроприводе обычно возникает задача автоматического управления электрическими двигателями. В простейших случаях достаточно только обеспечить их запуск, остановку, изменение направления вращения и защиту от аварийных режимов. Подобные функции легко реализуются с помощью простых и относительно дешевых электромеханических контакторов и реле. Однако нередко есть необходимость в плавном регулировании скорости вращения и движущего момента. Тогда для питания двигателей используют управляемые источники питания – полупроводниковые преобразователи энергии (управляемые выпрямители для двигателей постоянного тока и преобразователи частоты для двигателей переменного тока) и довольно сложные системы автоматического регулирования. Электроприводы, в состав которых, кроме двигателя, входят управляемые преобразователи энергии и системы автоматического управления, способны выполнять производственную задачу с минимальным участием человека. Они получили название автоматизированных электроприводов.


Видео о конструкции асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока
Официальный канал кафедры Электропривода НГУ в YouTube

Скачать эту статью в формате pdf (1,65МБ)

elprivod.nmu.org.ua

Асинхронный Двигатель Переменного Тока: Подключение, Ремонт

Строение такого двигателя не отличается большой сложностью

Строение такого двигателя не отличается большой сложностью

Электрические моторы заняли в жизни человека почетное место и применяются в приборах различной мощности и габаритов. Встретить их можно повсеместно, начиная от электрических зубных щеток, стиральных машин микроволновых печей до беговых дорожек, промышленного оборудования или огромных автомобилях.

Причина популярности предельно ясна даже неспециалисту – простота устройства, легкость в обслуживании, рентабельность производства и многое другое, включая повсеместную электрификацию. Исключение, пожалуй, составляют автомобили, так как подать к ним ток по проводам нельзя, если это не троллейбус, но и то, в этом направлении сегодня ведется множество разработок.

Сегодня мы с вами поговорим о том, что представляет собой асинхронный двигатель переменного тока. Узнаем, как он устроен, и за счет каких принципов работает. Погнали!

Что такое асинхронный двигатель

Классический двигатель переменного тока асинхронный

Классический двигатель переменного тока асинхронный

Трехфазный асинхронный двигатель мало чем отличается от своих собратьев и состоит из двух основных частей – вращающейся и неподвижной, или другими словами ротора и статора. Располагаются они один в другом при этом, не касаясь друг друга. Между деталями имеется небольшой воздушный зазор от 0,5 до 2 миллиметров, в зависимости от конструкции двигателя.

Схематическое строение

Однако это не все детали. Давайте разберем строение более подробно.

Схематическое строение трехфазного двигателя

Схематическое строение трехфазного двигателя

  • Статор – фактически главная рабочая часть, являющаяся мощным электромагнитом. Состоит он их сердечника, выполненного из тонколистовой технической стали, толщиной всего лишь 0,5 миллиметров, которая покрывается токоизоляционным лаком, и обмотки, сделанной из медной проволоки, которая также изолирована и располагается продольных пазах сердечника

Строение статора прекрасно видно на представленной выше схеме, где показано, что сердечник собран из множества пластин совмещенных друг с другом.

Цилиндр на валу снизу – это и есть ротор

Цилиндр на валу снизу – это и есть ротор

  • Ротор – данный элемент также состоит из сердечника, обмотка которого короткозамкнута (хотя бывает и другое строение), который располагается на валу. Сердечник этого элемента также представлена в виде шихтованной детали, однако сталь не покрывается лаком, так как ток, протекающий внутри, будет очень слабым, и естественной оксидной пленки будет вполне достаточно, чтобы ограничить вихревые токи.
  • Вал мотора представляет собой центральную ось, вокруг которой и происходит вращение электромотора. С разных концов на этом элементе располагаются подшипники качения, за счет которых обороты происходят максимально плавно и легко. Сами подшипники запрессованы в боковые крышки, в которых имеются посадочные места под них.

Совет! Подшипники должны сидеть очень плотно, при этом они должны быть отцентрованы, смазаны, легко вращаться, то есть быть исправными, иначе при высоких оборотах двигатель очень быстро выйдет из строя.

Разбитая и новые крыльчатки

Разбитая и новые крыльчатки

  • На конце вала, противоположном приводу, располагается небольшая крыльчатка, которая при включенном двигателе выполняет функцию его охлаждения. Кстати, данный элемент тоже может стать причиной появления вибрации в двигателе, если его лопасти отломаются, что негативно сказывается на сроке службы агрегата. Пример разбитого вентилятора можно увидеть на фото выше.
  • Идем по цепочке. Боковые крышки корпуса крепятся к станине, которая удерживает все вышеназванное вместе.

Также любой двигатель имеет пусковую аппаратуру и силовые цепи, о чем мы подробнее поговорим немного позже.

Принцип вращение электромагнитного поля

Электромагнитная индукция в моторах

Электромагнитная индукция в моторах

Главной особенностью любого электрического двигателя является то, что он способен переводить электрическую энергию в кинетическую, то есть механическую. При этом, разобрав его строение, вы можете увидеть, что никакого прямого или передаточного привода он не имеет. Как же тогда происходит вращение двигателя?

Вся фишка в том, что обмотка статора способна создавать сильное вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой ротор, при включении мотора в электрическую сеть. Данное магнитное поле имеет определенную частоту вращения, которая прямопропорциональна частоте переменного тока, и имеет обратную пропорциональность числу пар полюсов обмотки.

То есть данную частоту можно вычислить по формуле: n1 = f1*60/p, где: n1 – частота вращения магнитного поля; f1 – частота переменного тока в Герцах; p – количество пар полюсов.

Строение асинхронного двигателя переменного тока

Строение асинхронного двигателя переменного тока

Пока ничего не понятно?

Ничего, сейчас во всем разберемся.

  • Чтобы наглядно себе представить принцип вращения магнитного поля, давайте рассмотрим примитивную трехфазную обмотку, имеющую всего три витка.
Пример того, как вращается магнитное поле в электрическом двигателе

Пример того, как вращается магнитное поле в электрическом двигателе

  • Витки – это проводники, по которым при включении в сеть протекает электрический ток. Во время этого процесса вокруг проводника возникает электромагнитное поле.
  • Мы знаем, что показатели переменного тока изменяются со временем – сначала он нарастает, затем падает до нуля, потом течет в обратном направлении по тому же принципу, и так до бесконечности. Именно поэтому переменный ток изображают в виде синусоиды.
Графическое изображение переменного тока

Графическое изображение переменного тока

  • В то время как изменяются показатели тока, меняются и параметры магнитного поля, вызываемого им.
  • Особенностью трехфазных двигателей и генераторов является то, что в один момент времени по обмотке статора ток протекает в фазах со смещением на 120 градусов, то есть на треть времени одного такта.
  • Такт – это 1 Герц, то есть прохождение переменным током одного полного цикла колебания синусоиды. Схематически это будет выглядеть вот так.
Смещение между фазами составляет ровно 120 градусов

Смещение между фазами составляет ровно 120 градусов

  • В результате в статоре двигателя одновременно образуется несколько магнитных полей, которые, взаимодействуя, дают результирующее поле.
Изменение магнитного поля в разные моменты времени

Изменение магнитного поля в разные моменты времени

  • Когда происходит изменение параметров токов, протекающих в фазах, начинает изменяться и результирующее магнитное поле. Выражается это в смене его ориентации, при том, что амплитуда остается одинаковой.
  • В результате получается так, что магнитное поле вращается вокруг некой центральной оси.

А что будет, если внутрь данного магнитного поля поместить проводник?

Принцип электромагнитной индукции

Принцип электромагнитной индукции

Согласно закону об электромагнитной индукции, который мы подробно описывали в статье про генераторы постоянного и переменного тока, в проводнике возникает электродвижущая сила, сокращенно ЭДС. Если этот проводник замкнут на внешнюю цепь или на себя, то в нем потечет ток.

Согласно закону Ампера, на проводник с током, помещенным в магнитное поле, начинает действовать сила, и контур начинает вращаться. По этому принципу и работают асинхронные двигатели переменного тока, однако вместо рамки в магнитном поле находится короткозамкнутый ротор, который своим внешним видом напоминает беличье колесо.

Строение короткозамкнутого ротора

Строение короткозамкнутого ротора

  • Как видно из схемы выше, такой ротор состоит из параллельно расположенных стержней, которые с торцов замкнуты двумя кольцами.
  • При подключении статора к электрической сети, он начинает формировать вращающееся магнитное поле, которое индуктирует во всех стержнях ротора ЭДС, из-за чего ротор начнет вращаться.
  • При этом в разных стержнях будет отличаться направление текущего тока и его величина, в зависимости от того, в каком положении они находятся относительно полюсов магнитного поля. Опять-таки, если не понятно, то отсылаем вас снова к закону об электромагнитной индукции.
Изменение ЭДС на примере генератора переменного тока

Изменение ЭДС на примере генератора переменного тока

Интересно знать! Стержни на роторе наклоняют относительно оси его вращения. Делается это для того, чтобы пульсация момента и высшие гармоники ЭДС, сокращающие эффективность двигателя, были меньше.

Особенности асинхронного двигателя

Неприхотливые в эксплуатации электромоторы

Неприхотливые в эксплуатации электромоторы

Итак, давайте разбираться с тем, какие двигатели переменного тока называются асинхронными.

Скольжение ротора

Главной особенностью таких агрегатов является то,  что частота вращения ротора отличается от этого же показателя у магнитного поля. Назовем условно эти значения n2 и n1, соответственно.

Объяснить это можно тем, что индуцироваться ЭДС может только при этом неравенстве – n2 должна быть меньше n1. Разница в частотах этих вращений называется частотой скольжения, а сам эффект отставания ротора и называется скольжением, которое обозначается как «s». Высчитать этот параметр можно по следующей формуле: s = (n1-n2)/n1.

Асинхронный двигатель в разрезе

Асинхронный двигатель в разрезе

  • Давайте представим себе ситуацию, в которой частоты n1 и n2 будут одинаковыми. В этом случае положение стержней ротора относительно магнитного поля будет неизменным, а значит, движение проводников относительно магнитного поля происходить не будет, то есть ЭДС не индуктируется, и ток не течет. Отсюда следует вывод, что сил приводящих ротор в движение возникать не будет.
  • Если предположить, что изначально двигатель был в движении, то теперь ротор начнет замедляться, отставая от магнитного поля, а значит, стержни сместятся относительно магнитного поля и снова начнет расти ЭДС и движущая сила, то есть вращение снова возобновится.
  • Приведенное описание довольно грубое. В реальности ротор асинхронного двигателя никогда не может догнать скорость вращения магнитного поля, поэтому крутится равномерно.
  • Уровень скольжения тоже величина непостоянная, и может изменяться от 0 до 1, или другими словами, от 0 до 100 процентов. Если скольжение близко к 0, что соответствует холостому режиму работы двигателя, то есть ротор не будет испытывать противодействующий момент. Если значение этого параметра близко к 1 (режим короткого замыкания), то ротор будет неподвижен.
  • Отсюда можно сделать вывод, что скольжение напрямую будет зависеть от механической нагрузки на вал двигателя, и чем она больше, тем выше и коэффициент.
Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип работы асинхронного двигателя

  • Для асинхронных двигателей средней и малой мощности допустимый коэффициент скольжения находится в диапазоне от 2 до 8%.

Мы уже написали, что такой двигатель преобразует электрическую энергию с обмоток статора в кинетическую, однако стоит понимать, что эти силы не равны друг другу. Всегда при преобразовании происходят потери на гистерезисе, нагреве, трении и вихревых токах.

Данная часть энергии рассеивается в виде тепловой, поэтому двигатель и оборудуется вентилятором для охлаждения.

Питание двигателя

Схема подключения

Схема подключения

Давайте теперь разберемся с тем, как происходит подключение асинхронного электродвигателя переменного тока.

  • Мы уже вкратце описывали, как протекает ток в трехфазной сети, но не совсем понятно, какие выгоды такое питание имеет перед однофазными или двухфазными аналогами.
  • В первую очередь можно отметить экономичность системы с таким подключением.
  • Также для нее характерна большая эффективность.

Фазы подключаются к обмотке статора по определенным схемам, называемым звезда и треугольник, каждая из которых имеет свои особенности. Соединения эти могут быть выполнены как внутри двигателя, так и снаружи, в распределительной коробке. В первом случае из корпуса выходит три провода, а во втором шесть.

Для лучшего понимания принципов работ схем давайте введем некоторые понятия:

  1. Фазное напряжение – напряжение в одной фазе, то есть разница потенциалов между ее концами.
  2. Линейное напряжение – это разница в потенциалах разных фаз.

Эти значения очень важны, так как позволяют рассчитать потребляемую мощность электромотора.

Вот формулы, предназначенные для этого:

Формулы расчета мощности двигателя

Формулы расчета мощности двигателя

Данные формулы вычисления мощности двигателя справедливы для подключения и звездой, и треугольником. Однако стоит всегда учитывать, что подключение одного и того же двигателя разными способами будет сказываться на его энергопотреблении.

А если потребляемая мощность не соответствует параметрам двигателя, то может произойти расплавление обмотки статора, и моментальный выход из строя агрегата.

Чтобы понять это лучше, давайте разберем один наглядный пример:

  • Представьте двигатель, подключенный по схеме «звезда», который подключен в сеть переменного тока. Линейное напряжение будет составлять 380В, а фазовое 220В. Потребляет при этом он 1А.
  • Высчитываем мощность: 1,73*380*1 = 658 Вт – 1,73 является корнем из 3.
  • Если сменить схему подключения на треугольник, то получится следующее. Линейное напряжение останется без изменений и составит 380В, а вот фазовое напряжение (вычисляем по первой формуле) увеличится и станет таким же 380В.
  • Увеличенное в корень из 3 раз фазовое напряжение, приведет к увеличению в такое же количество раз фазового тока. То есть Iл будет равно не 1, а 1,73*1,73, что приблизительно равняется 3
  • Повторяем расчет мощности: 1,73*380*3 = 1975 Вт.

Как видно из примера, потребляемая мощность стала намного больше, и если двигатель не рассчитан на работу в таком режиме, то он неизбежно перегорит.

Как выглядят схематично разбираемые подключения обмотки

Как выглядят схематично разбираемые подключения обмотки

Подключение трехфазного двигателя асинхронного типа к однофазной сети

Разобрав принцип работы трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, становится понятным, что напрямую подключить его к общественным сетям, в который «царит» одна фаза,  не так просто. Выполнить такое подключение становится возможным, если применить фазосдвигающие элементы.

Варианты подключения трехфазного двигателя к однофазной сети

Варианты подключения трехфазного двигателя к однофазной сети

При таком подключении двигатель может работать в двух режимах:

  1. Первый ничем не отличается от работы однофазных двигателей (смотреть рисунки а, б и г, где применяется пусковая обмотка). При таком режиме работы двигатель способен выдать лишь 40-50% от своей номинальной мощности.
  2. Второй (в, д, е) – режим конденсаторного двигателя, при котором агрегат способен выдать до 80-ти% мощности (в схему включен постоянно работающий конденсатор).

Совет! Емкость конденсатора рассчитывается по специальным формулам, согласно выбранной схеме.

Как управлять электродвигателем

Управление асинхронным электродвигателем переменного тока может быть реализовано тремя способами:

Магнитный пускатель

Магнитный пускатель

  • Прямое подключение к питающей сети – для этого применяются магнитные пускатели, с помощью которых можно реализовать нереверсивные и реверсивные режимы работы мотора. Отличие, думаем понятно – во втором случае двигатель мотет вращаться в другом направлении. Недостатком такого подключения является то, что в цепи присутствуют большие пусковые токи, что не очень хорошо для самого агрегата. Цена такого устройства будет самой низкой
Устройство плавного пуска

Устройство плавного пуска

  • Плавный пуск двигателя – такие устройства для управления применяются тогда, когда вам требуется возможность регулировки скорости вращения вала при запуске двигателя. Показанный прибор уменьшает пусковые токи, в результате чего защищает двигатель от больших пусковых токов. Оно обеспечивает плавный старт и остановку вала.
Частотный преобразователь

Частотный преобразователь

  • Самым дорогим и сложным подключением электрического двигателя является применение частотного преобразователя. Такое решение используется тогда, когда требуется регулировка скорости вращения вала двигателя не только при старте и торможении. Данное устройство способно менять частоту и напряжение подаваемого на двигатель тока.
  • Его применение имеет следующие плюсы: во-первых сокращается энергопотребление мотора; во-вторых, как и устройство плавного пуска, двигатель защищается от ненужных перегрузок, что благотворно сказывается на его состоянии и сроке службы.

Частотные преобразователи могут реализовать следующие методы регулирования:

Скалярное управление

Скалярное управление

  1. Управление скалярного типа. Наиболее простой и недорогой в реализации, обладающий медленным откликом на изменение нагрузки в сети и небольшим диапазоном регулировки, в виде недостатков. Из-за того подобное управление применимо лишь там, где изменение нагрузки происходит по определенному закону, например, переключение режимов в фене.
  2. Управление векторного типа. Данная схема применяется там, где требуется обеспечить независимое управление вращением электродвигателя, например, в лифте. Она позволяет сохранять одинаковые обороты даже при изменяющихся параметрах нагрузки.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Более сложная конструкция асинхронного двигателя

Более сложная конструкция асинхронного двигателя

До того момента, как частотные преобразователи получили широкое распространение, асинхронные двигатели большой и средней мощности изготавливались с фазным ротором. Такая конструкция дает двигателю лучшие свойства по плавному пуску и регулировке оборотов, однако  эти агрегаты намного сложнее в плане строения.

  • Статор такого мотора ничем не отличается от того, что устанавливается в двигателях с короткозамкнутым ротором, но вот сам ротор устроен по-другому.
  • Также как и статор, он имеет трехфазную обмотку, которая подключается «звездой» к контактным кольцам. Обмотка укладывается в пазы стального сердечника, от которого она изолируется.
Кольца контактные

Кольца контактные

  • Контактные кольца соединяются через графитовые щетки с трехфазным пусковым или регулировочным реостатом, с помощью которого и производится пуск ротора.
Реостат жидкостного типа

Реостат жидкостного типа

  • Реостаты бывают металлическими и жидкостными. Первые (их еще называют проволочными) – ступенчатые, которые управляются механическим переключением своими руками рукояти контроллера, либо автоматически, при помощи контроллера с электроприводом. Вторые представляют собой некие сосуды с электролитом, в который опущены электроды. Изменение сопротивления такого реостата осуществляется за счет глубины их погружения.

Интересно знать! Отдельные модели АДФР, с целью увеличения КПД и ресурса щеток, после запуска ротора поднимают щетки и за счет короткозамкнутого механизма замыкают кольца.

На сегодняшний день устройства с фазными роторами практически не применяются, так как их эффективно заменяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, оснащенные частотным преобразователем.

На этом подведем итог. Мы узнали строение асинхронного трехфазного двигателя и принцип его работы. Материал для большинства читателей будет теоретическим, но, думаем, все равно интересным. Если вам нужно узнать, как выполнить ремонт асинхронного двигателя переменного тока, то прочтите предыдущую статью на нашем сайте. Там будет дана инструкция по разбору, и рассказано, что можно диагностировать и исправить самостоятельно, не обращаясь в мастерскую. Также рекомендуем к просмотру подобранное нами видео.

elektrik-a.su

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о