Трёхфазный асинхронный двигатель. Трёхфазные электродвигатели Принцип действия

Существует два типа трехфазных электродвигателей, которые различаются по конструкции вращающейся части (ротора). Подвижную часть двигателя иногда называют якорем, но будет правильнее и профессиональнее называть ее ротором.

Асинхронные электродвигатели.

Если у электродвигателя ротор не имеет своей обмотки (к ротору не подводиться напряжение через щетки), то это двигатель с короткозамкнутым ротором, или как еще называю его асинхронный двигатель. Асинхронный он, потому, что в этом двигателе скорость изменения магнитной индукции в обмотках статора не совпадает (не синхронна) со скоростью вращения ротора. Таких трехфазных двигателей выпускается большее количество, из-за простоты конструкции.

Электродвигатель с фазным ротором.

Трехфазный электродвигатель, у которого ротор имеет собственные обмотки и к этим обмоткам подводиться напряжение через щетки, называют двигателем с фазным ротором. Сложная конструкция такого электродвигателя оправдана, когда нужно регулировать скорость вращения и необходимо снизить пусковые токи мощного двигателя.

Статор (неподвижная часть) у всех трехфазных электродвигателей делается одинаковым по устройству. Конструктивно в магнитопровод статора вкладываются обмотки из медных обмоточных проводов. Количество отдельных обмоток может быть от 3, 6, 9 12. С тремя обмотками электродвигатель, при подключении к сети, будет вращаться со скоростью 3000 об. в мин. С шестью, девятью, двенадцатью обмотками электродвигатели будут вращаться, соответственно со скоростями 1500, 1000, 750 об. в мин, но с большими вращающими моментами, чем двигатель на 3000 об. в мин.

Все приведенные значения скорости вращения для отдельных двигателей достигаются только при подключении в трехфазную сеть с напряжением 380В, когда обмотки статора соединении по схеме «звезда».

Принцип действия.

Все дело в магнитной индукции, которая также совершает полезную работу в электромагнитах и трансформаторах. Благодаря магнитной индукции, к включенным электромагнитам притягиваются металлические предметы. Благодаря этой же силе в трансформаторах передается электроэнергия от одной катушки до другой, которые изолированы друг от друга.

В электродвигателях магнитная индукция проявляется, когда создается бесконтактная связь между статором и ротором. Более подробно, это происходит следующим образом. Ток, проходя через обмотки статора электродвигателя, создает магнитное поле. Это поле не постоянно, как в электромагните или трансформаторе. А быстро поочередно изменяет свою полярность, и возвращается в начальное состояние, когда сделает оборот по обмоткам статора.

А польза от этого электромагнитного поля в том, что оно благодаря силе индукции намагничивает отдельный участок на поверхности ротора, параллельный к физической оси двигателя. А дальше, переменное магнитное поле тянет его за собой, таким образом, заставляя вращаться статор вокруг своей оси.

Аварийный режим работы (при обрыве фазы).

Любой обрыв проводов двигателя является аварийной ситуацией, которая приводит к порче, как самого двигателя, так и пусковых устройств подключенных к нему. Серьезность последствий при обрыве фазы зависит от того, по какой схеме подключены обмотки двигателя к питающей сети.

При подключении электродвигателя по схеме «звезда».

Если двигатель работал, то ротор будет и дальше крутиться с неизменным моментом, но заметно снизиться скорость его вращения. При этом в остальных обмотках, которые остались подключенными к напряжению, будет протекать завышенный ток, одинаковый по величине в двух этих обмотках.

Если оставить двигатель долго работать при обрыве фазы, две подключенные обмотки равномерно нагреются. В конечном итоге двигатель не максимально нагруженный, и качественно сделанный, может остаться относительно целым. Но снизиться сопротивление изоляции обмоточных проводов, так как они обуглятся при перегреве. И повторных таких мучений электродвигатель уже не выдержит.

При подключении электродвигателя по схеме «треугольник».

Если двигатель работал, то ротор будет и дальше крутиться, как и в предыдущем рассмотренном случае. Но при этом, в одной из оставшихся подключенных обмоток, будет протекать завышенный 1,73 раза ток, чем при нормальном режиме работы.

Так что, если оставить двигатель долго работать при обрыве фазы, одна из двух подключенных обмоток сильно нагреется. А сам двигатель, в конечном итоге задымиться и остановиться. Так как, разрушиться эмалевая изоляция на обмоточных проводах внутри двигателя, и произойдет короткое замыкание.

Если попытаться запустить электродвигатель с оборванной фазой, он или вовсе не начнет вращаться, или будет очень медленно набирать обороты. И без разницы, по какой схеме двигатель подключен. При этом двигатель будет сильно шуметь, из-за чрезмерного магнитного потока, что проходит через часть магнитопровода двигателя.

При обрыве двух фаз работающий электродвигатель остановиться, не работающий двигатель не запуститься, и никаких вредных последствий не будет.

Подключение к однофазной сети.

Очень часто появляется необходимость использовать трехфазный двигатель вместо однофазного на стиральной машине, вентиляторе, различных деревообрабатывающих станках, водных насосах, шлифовальных станках.

Чаще всего электродвигатели подключаются по схеме «звезда», так как в этом случае их можно использовать в трехфазной сети, то есть при максимальном рабочем напряжении 380В. Но при подключении к однофазной сети, на пониженное напряжение 220В, такая схема совсем не годиться. Потому что электродвигатель, подключенный по схеме «звезда» к однофазной сети, потеряет половину своей мощности.

Конкретно, подключение по схеме «звезда», это когда концы трех обмоток скручены вместе, а начала этих обмоток подключаются к питающей сети.

Вот как подключаются провода до клемной колодки и так нужно расположить перемычки в распределительной коробке (борне) электродвигателя при подключении по схеме «звезда».

По схеме «треугольник».

Если нужно подключить трехфазный электродвигатель к однофазной сети с напряжением 220В, тогда желательно собрать обмотки по схеме «треугольник». По тому что, при такой схеме включения двигатель потеряет всего лишь 30% от номинальной мощности. И к тому же, вовсе не снизиться скорость вращения.

В общем, чтобы выполнить подключение по схеме «треугольник», нужно конец одной обмотки подключить к началу другой, и так последовательно соединить все обмотки, а места их соединения подключить к питающей сети.

Так вот должны быть подключены провода до клемной колодки, и так расположены перемычки в борне электродвигателя при подключении по схеме «треугольник».

Будьте внимательны! Существуют трехфазные электродвигатели, рассчитанные на рабочие напряжения 220/127В. И если переключить в борне такой двигатель на схему «треугольник», то есть на пониженное напряжение 127В, а дальше включить его в однофазную сеть стандартного напряжения 220В, то двигатель быстро сгорит.

Для того, чтобы трехфазный электродвигатель работал в однофазной сети необходим еще будет фазосдвигающий, или как его еще называют рабочий конденсатор.

В конечном итоге, нужно концы фазосдвигающего конденсатора подключить к двум клеммам в борне, а два провода от сети подкинуть так: один к любому выводу конденсатора; второй до свободной клеммы в борне.

Простота производства, дешевизна, надежность в работе привели к тому, что асинхронный двигатель (АД) стал самым распространенным электродвигателем. Они могут работать как от трехфазной электрической сети, так и от однофазной.

Трехфазные асинхронные двигатели применяются:

В нерегулируемых электроприводах насосов, вентиляторов, компрессоров, нагнетателей, дымососов, транспортеров, автоматических линий, кузнечно-штамповочных машин и др.:

В регулируемых электроприводах металлорежущих станков, манипуляторов, роботов, грузоподъемных механизмов, общепромышленных механизмов с изменяющейся производительностью и др.

Конструкция трехфазного асинхронного двигателя

В зависимости от способа выполнения обмотки ротора асинхронного двигателя последние разделяются на две группы: двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе и двигатели с фазной обмоткой на роторе.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе более дешевы в производстве, надежны в эксплуатации, имеют жесткую механическую характеристику, т. е. при изменении нагрузки от нуля до номинальной частота вращения машины уменьшается всего на 2-5%. К недостаткам таких двигателей относятся трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах, сравнительно небольшой пусковой момент, а также большие пусковые токи, в 5-7 раз превышающие номинальный.

Указанными недостатками не обладают двигатели с фазным ротором, но конструкция ротора у них существенно сложнее, что ведет к удорожанию двигателя в целом. Поэтому их применяют в случае тяжелых условий пуска и при необходимости плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне. В лабораторной работе рассматривается двигатель с короткозамкнутым ротором.

Трёхфазный асинхронный двигатель имеет неподвижную часть – статор 6 (рис. 6.1), на котором расположена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле, и подвижную часть – ротор 5 (рис. 6.1), в котором создается электромагнитный момент, приводящий во вращение сам ротор и исполнительный механизм.

Сердечник статора имеет форму полого цилиндра (рис. 6.2). Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов он набирается из отдельных, изолированных друг от друга лаковой пленкой листов электротехнической стали.

На внутренней поверхности сердечника расположены пазы, в которые укладывается обмотка статора. Сердечник запрессован в корпус (станину) 7 (рис. 6.1), изготовляемый из чугуна или сплава алюминия.

У двигателя с одной парой полюсов обмотка статора выполняется из трех одинаковых катушек, называемых фазами. Каждая фаза обмотки укладывается в противоположные пазы сердечника статора, фазы обмотки сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол и соединены между собой по особым правилам. Начала и концы фаз обмотки статора присоединяются к выводным зажимам клемной коробки 4 (рис. 6.1), что позволяет соединить фазы обмотки статора звездой или треугольником. В связи с этим асинхронный двигатель можно включить в сеть с линейным напряжением, равным Uф обмотки (обмотка статора соединяется треугольником) или

Uф (обмотка соединяется звездой).

Рис. 6.1. - Общий вид асинхронного двигателя:

подшипники - 1 и 11, вал - 2, подшипниковые щиты - 3 и 9, клёммная коробка – 4, ротор - 5, статор - 6, станина - 7,

лобовые части фазной обмотки статора - 8, вентилятор - 10, колпак - 12, ребра - 13, лапы – 14, болт заземление - 15

Рис. 6.2.

Ротор 5 (рис. 6.1) состоит из сердечника и короткозамкнутой обмотки. Сердечник ротора 1 (рис. 6.3) набирается из листов электротехнической стали и крепится на валу 2 (рис. 6.3) двигателя, листы изолируются друг от друга окалиной, образующийся в процессе прокатки. Листы ротора имеют пазы, в которых размещаются обмотка.

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе имеют ряд конструктивных исполнений по форме пазов на роторе. Форма пазов ротора выбирается в зависимости от требований к пусковым характеристикам двигателя. Наиболее рациональными для пазов ротора с короткозамкнутой клеткой являются трапецеидальные овальные пазы. Существуют и другие модификации пазов ротора (бутылочного и трапецеидального профиля).

Короткозамкнутая обмотка ротора 3 (рис. 6.3) обычно выполняется литой из алюминиевого сплава. В процессе заливки образуются как стержни (проводники) обмотки, расположенные в пазах, так и замыкающие их накоротко кольца, расположенные вне сердечника ротора. Кольца могут быть снабжены вентиляционными лопатками для улучшения вентиляции двигателя и теплоотвода от обмотки ротора. Отсутствие изоляции обмотки ротора обеспечивает хороший отвод тепла от обмотки к сердечнику. Такую короткозамкнутую обмотку ротора, называемую «беличьей клеткой».

Вал вращается в подшипниках, укрепленных в боковых щитах 3 и 9 (рис. 6.1), называемых подшипниковыми. Подшипниковые щиты крепятся к станине 7 (рис. 6.1) при помощи болтов.

Между ротором и статором асинхронного двигателя имеется воздушный зазор. При выборе воздушного зазора сталкиваются противоречивые тенденции. Минимальный (выбранный по механическим соображениям) воздушный зазор приводит к уменьшению тока холостого хода двигателя и увеличению коэффициента мощности. Однако при малом воздушном зазоре увеличиваются добавочные потери в поверхностном слое статора и ротора, добавочные моменты и шум двигателя. Вследствие роста потерь уменьшается КПД. Поэтому в современных сериях асинхронных двигателей воздушный зазор выбирается несколько большим, чем требуется по механическим соображениям (чтобы ротор при работе не задевал о статор).

Принцип действия асинхронного двигателя основан на двух явлениях: образовании вращающегося магнитного поля токами обмотки статора и воздействии этого поля на токи, индуцированные в короткозамкнутых витках обмотки ротора.

То, что асинхронные двигатели сегодня используются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, необходимо поклониться русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому. Именно он в 1889 году (а точнее 8 марта) изобрел трехфазный асинхронный двигатель, который преобразовывает электроэнергию в энергию механическую (вращения). Это, по сути, стало прорывом в технике и началом новой эры.

Самое главное, что электрические моторы данного типа оказались очень надежными, их производство достаточно простое, что влияет на небольшую себестоимость изделия. Плюс несложная конструкция, которая легко поддается не только производству, но и ремонту. Если обратиться к статистическим данным, то по ним можно сделать вывод, что асинхронные двигатели являются самыми производимыми в мире. На их счет приходится до 90% выпуска. Так что цифры говорят сами за себя.

Но почему эти приборы названы асинхронными? Все дело в том, что частота вращения магнитного поля статора всегда больше вращения ротора. Кстати, у электродвигателей этого типа принцип работы основан именно на вращении магнитного поля.

Принцип работы двигателя

Чтобы понять, как работают электродвигатели асинхронные трехфазные, необходимо провести один несложный эксперимент. Для этого вам понадобиться обычный магнит подковообразного типа и медный стержень. При этом магнит надо хорошо закрепить к рукоятке, с помощью которой его можно крутить на одном месте вокруг своей оси. Медный стержень закрепляется в подшипниках и устанавливается в пространство между концами (полюсами) магнита-подковы. То есть, стержень оказывается как бы внутри магнита, а, точнее сказать, внутри его плоскости вращении.

Теперь надо просто вращать магнитное устройство за ручку. Лучше по часовой стрелке. Так как между полюсами есть магнитное поле, то оно также будет вращаться. При этом поле будет пересекать или рассекать своими силовыми линиями медный стержень-цилиндр. И тут включается закон электромагнитной индукции. То есть, внутри медного стержня начнут возникать вихревые токи. Они, в свою очередь, начнут образовывать свое собственное магнитное поле, которое будет взаимодействовать с основным магнитным полем.

При этом стержень начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит. И вот тут возникает один момент, который также лежит в принципе работы электродвигателя. О нем было уже упомянуто. Если скорость вращения стержня будет такое же, как у магнита, то их силовые линии пересекаться не будут. То есть, вращения не будет в виду отсутствия вихревых токов.

И еще пару нюансов:

• Магнитное поле вращается с той же скоростью, что и сам магнит, поэтому скорость называют синхронной.
• А вот стержень вращается с меньшей скоростью, поэтому ее и называют асинхронной. Отсюда, в принципе, название и самого электрического мотора.

Внимание! Разница скоростей вращения магнитных полей не очень большая. Эту величину называют скольжением.

Кстати, определить величину скольжения несложно, для этого необходимо воспользоваться формулой:

S=n-n1/n, где

• S – это величина скольжения;
• n – скорость вращения магнита;
• n1 – скорость вращения ротора.

Устройство двигателя

Конечно, показанное выше устройство назвать электродвигателем никак нельзя, потому что для примера был использован магнит, которого в моторе просто нет. Поэтому необходимо создать такую конструкцию, в которой электрический ток создавал бы это самое магнитное поле. К тому же оно должно еще и вращаться. Русскому ученому это оказалось под силу с помощью трехфазного переменного тока.

Поэтому в конструкции трехфазного асинхронного двигателя установлены три обмотки, расположенные относительно друг друга под углом в 120º. Каждая обмотка подсоединена к фазному контуру трехфазной сети переменного тока. Обмотки закрепляются к статору, который собой представляет металлический сердечник в виде полого корпуса. Они же закрепляются к полюсам сердечника.

Внимание! У каждой обмотки два свободных конца. Один соединяется с фазой сети, второй с двумя другими концами двух других обмоток, то есть, в единый контур.

Внутри полого сердечника на подшипниках закрепляется ротор. По сути, это тот же стержень-цилиндр. Ниже показана схема подключения обмоток и расположение ротора.

Как только электрический ток начинает подаваться на обмотки, образуется вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ротор, заставляя его вращаться тоже.

Как работает

Чтобы понять принцип действия трехфазного асинхронного двигателя, необходимо рассмотреть график его работы. Чтобы облегчить данную задачу, предлагаем рассмотреть схему, расположенную ниже.

• Итак, позиция «А». В ней на первом полюсе фаза равна нулю, второй полюс является северным, то есть, отрицательным, в третьей фазе положительный заряд. Поэтому ток движется по стрелкам, указанным на рисунке. Тот, кто забыл школьную программу физики, напоминаем, что движение магнитного поля действует по правилу правой руки. Значит, вращение его будет направлено от севера к югу, то есть, от второй катушки (обмотки) к третьей.
• Позиция «Б». Теперь ноль расположен на второй обмотке, на первой юг (плюс), на третьей север (минус). То есть, магнитный поток будет теперь направлен от катушки №3 на катушку №1. Получается так, что полюсы сместились на 120º.
• В позициях «В» и «Г» произошли точно такие же сдвиги полюсов на 120º.

Смена полярности создает вращение магнитного потока, который в свою очередь увлекает за собой ротор. Последний начинает вращаться. Как было сказано выше, из энергии электрической получается энергия вращения (механическая).

Внимание! Если поменять местами вторую и третью обмотку, то вращение электродвигателя начнется в противоположную сторону. Конечно, сами обмотки не переставляются, а просто производится смена подключения к разным фазам сети.

Нами была рассмотрена конструкция электродвигателя асинхронного трехфазного с тремя обмотками на статоре, в котором используется двухполюсная схема магнитного поля. Число его оборотов вращения равна числу колебаний электрического тока в минуту. Если в сети переменного тока число колебания в секунду равно 50 Гц, то за минуту это значение станет 3000 (об/мин).

Но в статор можно заложить не три обмотки. К примеру, можно установить шесть или десять. При этом магнитное поле станет четырехполюсным и шестиполюсным соответственно. При этом измениться и скорость вращения ротора. В первом случае она будет равна: (50X60)/2=1500 об/мин. Во втором: (50X60)/3=1000 об/мин.

Выше нами уже упоминалось, что существует определенное отставание вращения ротора от вращения магнитного поля. Правда, это значение незначительно. К примеру, в холостом режиме работы данный показатель будет всего лишь 3%, при действующих нагрузках 5-7%. Даже 7% — значение небольшое, что и является одним из достоинств асинхронного двигателя.

Как использовать

К сожалению, не во всех частных домах есть трехфазное напряжение. Поэтому подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети производится через конденсаторы определенной емкости. Обычно расчет ведется в соответствии: на 1 кВт мощности 70 мкФ емкости. Но есть в этом деле еще одна проблема – невозможность регулировать скорость вращения ротора. Поэтому специалисты рекомендуют подключить к мотору регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

• Во-первых, установив его, отпадает необходимость устанавливать конденсаторы.
• Во-вторых, с помощью данного устройства выравнивается мощность электродвигателя до номинальной.
• В-третьих, можно регулировать частоту вращения, а также повышать ее больше номинала.
• В-четвертых, можно регулировать пусковой момент.

Эти устройства сегодня продаются в специализированных магазинах, но нет проблем их сделать и своими руками.

Ротор

По конструкции ротора электродвигатели асинхронные делятся на две группы:

1. С фазным ротором.
2. Короткозамкнутым.

Первый вариант – это двигатели с большой мощностью, которым необходим большой пусковой момент. В конструкции их ротора установлены контактные кольца. Второй вариант – это конструкция, в пазы которой заложены медные стержни. Это типичные электродвигатели, простые и дешевые. Но у них есть пара недостатков: большой пусковой ток и слабое усилие при начале вращения.

Технические характеристики

На что обычно надо обратить внимание, выбирая электродвигатели? Технических характеристик, в принципе, немного. Это мощность, измеряемая в кВт, скорость вращения ротора в об/мин. Все остальные технические характеристики не столь важны именно для выбора. Хотя, к примеру, масса изделия может помочь рассчитать нагрузку на подставку или монтажную раму.

Заключение по теме

Итак, были рассмотрены асинхронные электродвигатели – электрическое оборудование, которое нередко используется в частных домах для бытовых нужд. Устройство и принцип работы мотора вам теперь понятно, а вот как правильно подключить двигатель к однофазной сети, читайте в другой статье.

Похожие записи: