Трехфазные двигатели переменного тока


Электродвигатели асинхронные трехфазные технические характеристики схема подключения

Электродвигатель, работающий на переменном токе, использующий вращающееся магнитное поле, которое создается статором, называют асинхронным, если частота поля отличается от той, с которой вращается ротор. Широко распространены электродвигатели асинхронные трехфазные. Технические характеристики их важны для правильной эксплуатации. К ним относятся механические характеристики и рабочие. К первым относят зависимость частоты, с которой вращается ротор, от нагрузки. Зависимость между этими величинами обратно пропорциональная, т.е. чем нагрузка больше, тем частота меньше.

{ ArticleToC: enabled=yes }

Асинхронные электродвигатели и их виды

При этом, как видно из графика, на промежутке от нуля до максимального значения, с увеличением нагрузки снижение частоты незначительно. О таком электродвигателе асинхронном говорят, что его механическая характеристика жесткая.

Электродвигатели асинхронные в изготовлении несложные и надежные, поэтому применяется широко.

Выделяют 3 вида асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

одно-, двух и трехфазные, а кроме них – асинхронные с фазным ротором.

Однофазные

У первого типа на статоре есть единственная обмотка, на которую поступает переменный ток. Для запуска двигателя асинхронного пользуются обмоткой статора дополнительной, подключаемой на короткое время к сети через емкость или индуктивность, или же замыкаемой накоротко, чтобы добиться начального сдвига фаз, нужного для того, чтобы привести ротор во вращение.

Без этого его не могло бы сдвинуть магнитное поле статора. У такого мотора, как у каждого асинхронного, ротор делают в виде цилиндрического сердечника с алюминиевыми залитыми пазами и лопастями для вентиляции. Подобный ротор, называемый «беличьей клеткой», называется короткозамкнутым.

Электродвигатели асинхронные устанавливают в приборах не требующих большой мощности, типа небольших насосов и вентиляторов.

Двухфазные

Второй тип, т.е. двухфазные – намного эффективнее. На статоре у них две обмотки, которые находятся перпендикулярно друг к другу. При этом на одну из них подают переменный ток, другую соединяют с фазосдвигающим конденсатором, благодаря которому создается магнитное вращающееся поле.

У них также есть короткозамкнутый ротор. Их область использования намного шире, в сравнении с первыми. Двухфазные машины, питающиеся от однофазной сети, называются конденсаторными, поскольку в них обязательно должен стоять фазосдвигающий конденсатор.

Трехфазные

У трехфазный имеется три обмотки на статоре, сдвиг между которыми составляет 120 градусов, поэтому и поля их смещаются на такую же величину при включении. Включив в переменную трехфазную сеть такой электродвигатель, замкнутый накоротко, вращение ротора происходит благодаря появляющемуся магнитному полю.

Обмотки соединяют по одной из схем — «треугольник» или «звезда». Но, у второго соединения напряжение выше, а указано оно на корпусе двумя величинами – 127/220 или же 220/380. Эти моторы незаменимы для работы лебедок, разнообразных станков, кранов подъемных, циркулярок.

Идентичный статор имеется у моторов с фазным ротором. Магнитный провод (шихтовый) уложен у них в пазы вместе с тремя обмотками. Но отсутствуют залитые стержни алюминиевые, но имеется полноценная обмотка, соединена которая «звездой». Три ее конца выводятся на контактные кольца, которые насаживают на роторный вал и изолируют от него.

1 — кожух и жалюзи;

2 – щетки;

3 – держатели щеток со щеточной траверсой;

4 — крепящий траверсу палец;

5 — выводы со щеток;

6 – колодка;

7 – изолирующая втулка;

8 и 26 – контактные кольца;

9 и 23- крышки наружная подшипника и внутренняя;

10 – шпилька, крепящая крышку подшипника к коробке;

11 – щит задний подшипника;

12 и 15- обмотки ротора;

13 – держатель обмотки;

14 — роторный сердечник;

16 и 17 — щит передний подшипника и его наружная крышка;

18 – отверстия для вентиляции;

19 – станина;

20 — статорный сердечник;

21 — шпильки наружной крышки подшипника;

22 – бандаж;

21 – подшипник;

25 – вал;

27 — выводы роторной обмотки

Подключить мотор можно напрямую или через реостат, подав посредством щеток переменное напряжение (трехфазное) на кольца. Последний относится к самому дорогому электродвигателю асинхронному трехфазному. Характеристики его, в частности пусковой момент, под нагрузкой намного большие, благодаря чему их ставят в устройствах, которые запускаются под нагрузкой: в лифтах, подъемных кранах и пр.

Как работает электродвигатель?

Распространены эти электродвигатели достаточно широко на производстве и в быту, поскольку по эффективности они превосходят моторы, работающие от двухфазной сети.

Если у электродвигателя присутствует статор – неподвижный узел, и подвижный ротор, разделенные прослойкой воздуха, т.е. механически не взаимодействующие, а частоты вращения ротора и магнитного поля не одинаковы, его называют асинхронным электродвигателем. Устройство и принцип работы описан ниже.

На статоре находятся три обмотки с магнитопроводом внутри. Сам статор набирается из пластин, изготовленных из электротехнической стали. Расположены они под углом 120 градусов по отношению друг к другу и закреплены в пазах неподвижного статора. Конструкция ротора опирается на подшипники. Для вентиляции предусмотрена крыльчатка.

Видео: Электродвигатель

Из-за того, что между частотой, с которой вращается ротор и магнитное поле, существует задержка, т.е. первый как бы догоняет поле, но сделать этого не может из-за меньшей частоты вращения, его называют асинхронным электродвигателем. Принцип работы заключается в индуцировании токов ротором, создающим свое поле, которое, в свою очередь, взаимодействует со статорным магнитным полем, заставляя двигаться ротор.

Скорость вращения вала можно изменять, используя регулятор скорости вращения асинхронного электродвигателя, т.е. метод изменения ее регулирования с помощью изменения фазного напряжения или с использованием широтно-импульсной модуляции.

В качестве регулятора скорости вращения электродвигателя использовать можно инвертор (регулятор-стабилизатор напряжения), который играть будет роль источника питания. Напряжение питания после регулятора изменяться будет в соответствие с частотой вращения.

Могут электродвигатели быть многоскоростными, т.е. предназначенные для механизмов, которым необходимо ступенчатое регулирование частоты вращения. В их маркировке присутствуют символы: АОЛ, АО2, 4А и др. Схема подключения есть в паспорте или приведена на клеммной коробке.

Важной особенностью двухскоростных является возможность функционирования в двух режимах. Они маркируются (отечественные): АМХ, АД, АИР, 5АМ, АИРХМ. Чтобы подобрать импортный двигатель двухскоростной, нужно точно указать данные таблицы, имеющейся на корпусе.

Преимущества

Главным достоинством является:

Недостатки, конечно, тоже имеются.

К ним относятся:

Схемы подключения

Есть два варианта подключения, обеспечивающие работу асинхронного электродвигателя — схема подключения «звезда» и «треугольник».

Звезда

Ее применяют для трехфазной цепи, у которой величина линейного напряжения составляет 380 вольт. Особенностью соединения звездой является то, что концы обмоток должны соединяться в одной точке: С4, С5 и С6 (U2, V2 и W2). Начала же обмоток: С1, С2 и С3 (U1, V1 и W1), подключаются к проводникам A, B и C (L1, L2 и L3) через коммутационную аппаратуру.

Напряжение между началами соответствует 380 вольтам, а в местах, где соединяются с обмотками фазные проводники – 220в.

Подключение асинхронного электродвигателя на 220 обозначается Y. Для защиты от перегрузок электродвигателя в точке соединения обмоток подключают нейтраль.

Подобное соединение, двигателю электрическому, который приспособлен к работе от 380 вольт, не позволяет достигать полной мощности, поскольку напряжение обмоток всего 220в. Но зато оно защищает от перегрузок по току, благодаря чему старт является плавным.

Взглянув в коробку с клеммами легко понять, по какой схеме выполнено подключение. Если присутствует перемычка, соединяющая 3 вывода, то используется «звезда».

Треугольник

Если концы обмоток соединены с началом предыдущих, значит это «треугольник».

По старой маркировке С4 соединяют с выводом С2, далее — С5 с С3, а С6 с С1. В новом варианте маркировки это выглядит так: соединяют U2 и V1, V2 и W1, W2 и U1. Величина напряжения между обмотками равно 380 в. Но, не требуется при этом соединение с нейтралью, или «рабочим нулем». Особенностью этого подключения являются большие значения пусковых токов, опасных для проводки.

В практике порой используют подключение комбинированное, т.е. во время запуска и разгона применяют «звезду», а «треугольник» используют в дальнейшем, т.е. рабочем режиме.

Определить, что для подключения применили схему «треугольник» поможет клеммная коробка, точнее три перемычки между клеммами.

О преобразовании энергии

Энергия, которую подают на статорные обмотки преобразуется асинхронным электродвигателем в энергию вращения ротора, т.е. механическую. Но величина мощности на выходе и входе – разные, поскольку часть ее теряется на вихревые токи и гистерезис, на трение и нагрев.

Она рассеивается в виде выделяемого тепла, поэтому и для охлаждения и нужен вентилятор. Тем не менее, кпд асинхронных электродвигателей в широком диапазоне нагрузок высок и достигает 90% и 96% для очень мощных.

Достоинства трехфазной системы

Основным достоинством трехфазных, если сравнивать с одно- и двухфазными моторами, считается экономичность. В этом случае, для передачи энергии имеется три провода, а относительный сдвиг токов в них равен 120 градусов. Значение амплитуд и частот с синусоидальным ЭДС одинаково на разных фазах.

Важно: при любом соединении, зависящем от напряжения, соединяться концы обмоток могут внутри мотора (три выходящих из него провода) или выводиться наружу (6 проводов).

Какие есть варианты исполнения электродвигателей?

Присутствие в маркировке буквы «У» говорит о том, что назначение электродвигателя – работа в умеренном климате, где годичные температуры находятся в диапазоне + 40 градусов – 40 градусов. Для тропического климата должна присутствовать в маркировке «Т».

Значит, работает мотор нормально в интервале температур от +50 до -10. Для морского климата в обозначении есть «ОМ», для всех районов, кроме очень холодных – «О» (+35 – 10 градусов). Наконец, для районов с очень холодным климатом – «УХЛ», что означает нормальное функционирование при температуре от плюс 40 до минус шестидесяти градусов.

Делятся электродвигатели и по вариантам специального исполнения. Если вы видите букву «С», означает это, что двигатель с повышенным скольжением. Если «Р» — с высоким пусковым моментом, «К» — с фазным ротором, с «Е» — электромагнитным встроенным тормозом.

Помимо этого, они бывают:

Синхронные и асинхронные электродвигатели, или о различиях между ними

Помимо моторов асинхронных, существуют синхронные, отличающиеся от первых тем, что частота вращающегося ротора, соответствует той, которую имеет магнитное поле. Его главными элементами являются индуктор, находящийся на роторе, и якорь, располагающийся на статоре. Их разделяет, как и у асинхронных, воздушная прослойка. Функционируют они как электродвигатель или генератор.

В первом варианте устройство функционирует благодаря взаимодействию магнитного поля, создаваемого на якоре, с полем на полюсах индуктора. Функционирование в режиме генератора обеспечивает электромагнитная индукция, вызванная вращающимся якорем в магнитном поле, сформированном в обмотке.

Поле, взаимодействует с фазами обмотки статора по очереди, образуя электродвижущую силу. По конструкции синхронные моторы более сложные, чем асинхронные.

Вывод: у синхронных электродвигателей частота вращения ротора одинакова с частотой магнитного поля, а у асинхронного они разные.

Эти особенности определяют использование первых там, где нужна мощность 100 кВт и больше, вторых – в случаях до 100 кВт.

Видео: Асинхронный двигатель.Модель и принцип работы.

motocarrello.ru

Трехфазный асинхронный двигатель: особенности, принцип действия, подключение

Электрические двигатели — устройства, преобразовывающие электроэнергию, получаемую из распределительных сетей, в механическую энергию вращения. В состав любого двигателя входят следующие элементы: корпус для защиты от попадания пыли и влаги, неподвижная часть (статор), жестко прикрепленная к корпусу, неподвижные обмотки и магнитопроводы, часть, которая вращается (ротор). Ротор насаживается на вал, вращаемый в двух подшипниковых узлах. Конец выходит наружу, имеет канавку, где закрепляются шкивы или шестерные привода.

Узлы подшипников располагаются в пределах двух съемных крышек, закрывающих корпус с торцов, стягиваются между собой с помощью длинных шпилек (трех-четырех). В задней части вала размещена крыльчатка вентилятора, который обдувает и охлаждает обмотки.

Конструкция таких устройств отличается удобством обслуживания и проведения ремонта — их легко разобрать и собрать.

Асинхронные двигатели бывают однофазными и трехфазными. Первые применяются преимущественно до мощности 2,2 кВт. Ограничение действует из-за большого пускового и рабочего тока. Принцип действия одинаковый, но у однофазных более низкий пусковой момент.

Работа трехфазных электродвигателей

Самое главное достоинство трехфазной системы электроснабжения состоит в том, что создается электрическое поле, имеющее способность вращаться. Если на неподвижном статоре располагаются три обмотки с магнитомягкими (материалы, способны с легкостью перемагничиваться) сердечниками, а в дальнейшем происходит подача напряжения последовательно от каждой из фаз, то сердечники постепенно намагничиваются от поступающего тока и создают магнитное поле, перемещающееся в пределах окружности.

Асинхронный трехфазный электродвигатель применяется в разных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Скорость вращения магнитного поля в статоре можно легко снизить, используя чисто конструктивные методы, к примеру, увеличив число обмоток на окружности вдвое (из трех до шести).

Асинхронные двигатели

Изобретатель М. О. Доливо-Добровольский придумал, как можно усовершенствовать двигатель избавившись от коллекторов, имеющих ряд недостатков. Так, он предложил обмотку ротора выполнять в виде короткозамкнутых витков, ток в которых будет заводить переменное магнитное поле статора. Внешне такое решение представляет собой два кольца, соединенных между собой поперечными проводниками, — «бельчье колесо». Такой устройство еще называется двигателем с короткозамкнутым ротором.

Принцип действия примерно следующий: при запуске переменное поле статора возбудит в проводниках сильный ток, что приведет к намагничиванию сердечника ротора, он будет притянут статорными магнитами и начнет вращение. Чтобы ток стабильно появлялся в замкнутых витках, необходимы постоянные колебания магнитного поля, поэтому ротор вращается медленнее магнитного поля. Именно от такого «запаздывания» двигатели начали называть асинхронными, а разница вращений — скольжение.

Скольжение является переменной величиной. При запуске оно достигает максимальных значений, постепенно уменьшаясь и достигая минимальных значений на холостом ходу (примерно 3%). Если есть нагрузка на вал, скольжение пропорционально увеличивается и возрастает вместе с нагрузками (около 7%).

Особенности трехфазных асинхронных двигателей

Конструкция этого типа оказалась настолько удачной, что большинство электроприводов всего мира производятся на базе трехфазных асинхронных устройств, имеющих короткозамкнутый ротор. Они имеют ряд преимуществ, в частности, обладают:

Простота переключения фазных проводов может быть как преимуществом, так и недостатком. Производя замену силового кабеля, нужно особое внимание уделять оборудованию, запомнить, как оно ранее было подключено. Делая монтаж, следует обязательно перепроверить на запасном двигателе фазировку проводов, ведь оборудование может запросто выйти из строя, если сделана неверная фазировка.

Слабые стороны асинхронного трехфазного двигателя:

tokar.guru

Принцип работы трёхфазного двигателя

Электродвигателем называется такое электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию. При использовании трёхфазной системы переменного тока, наиболее широко используется трёхфазный асинхронный двигатель, так как этот тип двигателя не требует в большинстве случаев пускового устройства. Большинство трёхфазных асинхронных двигателей запускается в работу с помощью прямого пуска с использованием коммутационных аппаратов.

Для лучшего понимания принципа работы трёхфазного асинхронного двигателя, необходимо знать его основные конструкционные особенности.

Этот двигатель состоит из двух основных частей, неподвижной части – статора, и вращающейся части – ротора.

Статор трёхфазного асинхронного двигателя имеет слоты (пазы), в которых размещаются обмотки на каждую фазу. Трёхфазная обмотка расположена таким образом, чтобы быть способной создать вращающееся магнитное поле при протекании по обмоткам переменного тока (AC) от трёх источников питания.

Ротор трёхфазного асинхронного двигателя состоит из цилиндрического ламинированного сердечника имеющего параллельные пазы на периферии. В этих пазах расположены проводники, которые замкнуты на конечных кольцах с торцов ротора. Эти проводники в виде стержней образуют короткозамкнутую обмотку ротора типа «беличья клетка».

Проводники на роторе выполнены обычно из алюминия, а также могут быть сделаны из меди или латуни. Пазы для проводников немного повёрнуты на поверхности ротора, поэтому они расположены под некоторым углом к валу ротора. Такое расположение позволяет уменьшить магнитное сцепление в момент пуска двигателя, а также сделать работу двигателя плавной, без рывков и пробуксовки.

Как работает трёхфазный асинхронный двигатель?

Прежде всего, для работы трёхфазного асинхронного двигателя, необходимо создать вращающееся магнитное поле.

Создание вращающегося магнитного поля

Обмотки, которые расположены на статоре, равномерно смещены на 120 градусов относительно друг друга. Обмотка каждой фазы смещена относительно двух других на угол 120 градусов, то есть по обе стороны через 120 градусов расположены соседние фазы. Статор представляет собой полый цилиндр, который в сечении представляет собой кольцо. Внутри такого цилиндра расположен ротор. Три источника тока, отличатся друг от друга фазовым сдвигом. Этот сдвиг также составляет 120 градусов. В итоге, при прохождении трёхфазного переменного тока в обмотках статора, внутри статора образуется вращающееся магнитное поле.

В чем секрет создания вращения магнитного поля? Так как ток переменный, то создаваемое каждой фазой магнитное поле будет также переменным. Магнитный поток, который порождается прохождением тока в каждой обмотке, будет изменяться во времени точно также как породивший его ток. В то время когда один магнитный поток от первой фазы будет возрастать по величине, магнитный поток от второй фазы достигнет своего максимального значения и начнёт убывать по величине, магнитный поток от третьей фазы будет всё более уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения.

Магнитный поток переменного синусоидального тока любой из фаз изменяется по величине и направлению, тем самым чередуясь и пульсируя. Там где ранее был северный магнитный полюс, становится южный, а там где был южный полюс, там на его месте образуется северный полюс. Магнитное поле как бы пульсирует, но не вращается. Если пространственно равномерно по окружности расположить три катушки (соленоиды) так, чтобы их сердечники были направлены к центру окружности, а затем соединить в один общий магнитопровод наружные концы соленоидов (катушек), то мы получим прототип статора трёхфазного асинхронного двигателя. Подключив каждую катушку к источнику переменного тока, а именно к трём разным фазам, которые сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов, мы получим не пульсирующее, а вращающееся магнитное поле.

По той причине, что магнитопровод будет общим, пульсирующие магнитные потоки от каждой катушки будут складываться с учётом направления и величины, тем самым образуя вращающийся вектор магнитного потока. Это удивительно, потому как статор неподвижен, но представляет собой магнит, поле такого магнита вращается, но статор остаётся неподвижен!!!

Как же преобразуется в дальнейшем электрическая энергия в механическую энергию? Если в статор, по обмоткам которого протекает трёхфазный ток и, соответственно, внутри него сосредоточено вращающееся магнитное поле, внести металлический предмет, то на него будет действовать механическая сила, которая будет пытаться этот предмет выкинуть из поля статора.

Как такое происходит? Магнитный поток статора индуцирует в короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя ЭДС, так как цепь ротора замкнута, то по ней будет протекать электрический ток, который создаст второй магнитный поток – поток ротора. Взаимодействие двух встречных потоков ротора и статора создаст крутящий момент на роторе, и он начнёт вращаться. В соответствии с законом Ленца, ротор будет вращаться в том направлении, которое позволяет уменьшить магнитный поток статора.

Следует заметить, что принцип работы асинхронного двигателя не допускает синхронной скорости ротора с магнитным полем статора. В этом случае исчезнет ЭДС индукции в роторе, и ротор начнёт останавливаться. Синхронизация не достижима для асинхронного электродвигателя, скорость ротора в двигательном режиме может быть меньше скорости вращения магнитного поля.

Если ротору придать дополнительный крутящий момент от внешнего механического источника, так, чтобы его скорость стала больше чем скорость вращающегося магнитного поля статора, тогда электрическая машина перейдёт в генераторный режим работы, при котором происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию.

Разница скоростей между статором и ротором позволяет говорить о таком явлении как скольжение ротора в магнитном поле статора. Необходимо помнить, что асинхронная электрическая машина переменного тока – это обратимая машина, которая может работать как в генераторном, так и двигательном режимах.

Краткие практические выводы по трёхфазному асинхронному двигателю

  1. Отсутствует необходимость в контактных кольцах на роторе и в щёточном механизме.
  2. Асинхронный трёхфазный двигатель является самозапускающимся, так как создаётся вращающееся магнитное поле, а не пульсирующее.
  3. Отсутствие щёточного механизма и щёток исключает искрение контактов в работе двигателя.
  4. Долговечность конструкции при правильной эксплуатации и обслуживании.
  5. Экономичность, высокая эффективность (КПД).
  6. Простота в обслуживании.

Дата: 26.01.2016

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

electricity-automation.com

Однофазный асинхронный двигатель: как устроен и работает

Само название этого электротехнического устройства свидетельствует о том, что электрическая энергия, поступающая на него, преобразуется во вращательное движение ротора. Причем прилагательное «асинхронный» характеризует несовпадение, отставание скоростей вращения якоря от магнитного поля статора.

Слово «однофазный» вызывает неоднозначное определение. Связано это с тем, что термин «фаза» в электрике определяет несколько явлений:

Поэтому сразу уточним, что однофазным электродвигателем принято называть тот, который работает от двухпроводной сети переменного тока, представленной фазным и нулевым потенциалом. Количество обмоток, вмонтированных в различных конструкциях статоров, на это определение не влияют.

Конструкция электродвигателя

По своему техническому устройству асинхронный двигатель состоит из:

1. статора — статической, неподвижной части, выполненной корпусом с расположенными на нем различными электротехническими элементами;

2. ротора, вращаемого силами электромагнитного поля статора.

Механическое соединение этих двух деталей выполнено за счет подшипников вращения, внутренние кольца которых посажены на подогнанные гнезда вала ротора, а внешние вмонтированы в защитные боковые крышки, закрепляемые на статоре.

Ротор

Его устройство у этих моделей такое же, как у всех асинхронных двигателей: на стальном валу смонтирован магнитопровод из шихтованных пластин на основе мягких сплавов железа. На его внешней поверхности выполнены пазы, в которые вмонтированы стержни обмоток из алюминия или меди, закороченные по концам на замыкающие кольца.

В обмотке ротора протекает электрический ток, индуцируемый магнитным полем статора, а магнитопровод служит для хорошего прохождения создаваемого здесь же магнитного потока.

Отдельные конструкции ротора у однофазных двигателей могут быть выполнены из немагнитных или ферромагнитных материалов в форме цилиндра.

Статор

Конструкция статора также представлена:

Его основное назначение заключается в генерировании неподвижного или вращающегося электромагнитного поля.

Статорная обмотка обычно состоит из двух контуров:

1. рабочего;

2. пускового.

У самых простых конструкций, предназначенных для ручной раскрутки якоря, может быть выполнена всего одна обмотка.

Принцип работы асинхронного однофазного электрического двигателя

С целью упрощения изложения материала представим, что обмотка статора выполнена всего одним витком петли. Ее провода внутри статора разносят по кругу на 180 угловых градусов. По ней проходит переменный синусоидальный ток, имеющий положительные и отрицательные полуволны. Он создает не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле.

Как возникают пульсации магнитного поля

Разберем этот процесс на примере протекания положительной полуволны тока в моменты времени t1, t2, t3.

Она проходит по верхней части токопровода по направлению к нам, а по нижней — от нас. В перпендикулярной плоскости, представленной магнитопроводом, вокруг проводника возникают магнитные потоки Ф.

Изменяющиеся по амплитуде токи в рассматриваемые моменты времени создают разные по величине электромагнитные поля Ф1, Ф2, Ф3. Поскольку ток в верхней и нижней половине один и тот же, но виток изогнут, то магнитные потоки каждой части направлены встречно и уничтожают действие друг друга. Определить это можно по правилу буравчика или правой руки.

Как видим, при положительной полуволне вращения магнитного поля не наблюдается, а происходит только его пульсация в верхней и нижней части провода, которая еще и взаимно уравновешивается в магнитопроводе. Этот же процесс происходит при отрицательном участке синусоиды, когда токи изменяют направление на противоположное.

Поскольку вращающееся магнитное поле отсутствует, то и ротор останется неподвижным, ибо нет сил, приложенных к нему для начала вращения.

Как создается вращение ротора в пульсирующем поле

Если придать ротору вращение, хотя бы рукой, то он будет продолжать это движение. Для объяснения этого явления покажем, что суммарный магнитный поток изменяется по частоте синусоиды тока от нуля до максимального значения в каждом полупериоде (с изменением направления на противоположное) и состоит из двух частей, образуемых в верхней и нижней ветвях, как показано на рисунке.

Магнитное пульсирующее поле статора состоит из двух круговых с амплитудой Фмакс/2 и двигающихся в противоположных направлениях с одной частотой.

nпр=nобр=f60/p=1.

В этой формуле обозначены:

Теперь рукой придадим вращение двигателю в одну сторону, и он сразу подхватит движение за счет возникновения вращающегося момента, вызванного скольжением ротора относительно разных магнитных потоков прямого и обратного направлений.

Примем, что магнитный поток прямого направления совпадает с вращением ротора, а обратный, соответственно, будет противоположен. Если обозначить через n2 частоту вращения якоря в об/мин, то можно записать выражение n2 < n1.

При этом обозначим Sпр = (n1-n2)/n1 = S.

Здесь индексами S и Sпр названы скольжения асинхронного двигателя и ротора относительного магнитного потока прямого направления.

У обратного потока скольжение Sобр выразится аналогичной формулой, но со сменой знака n2.

Sобр = (n1 - (-n2))/n1 = 2-Sпр.

В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора станет действовать электродвижущая сила, которая создаст в ней токи таких же направлений I2пр и I2обр.

Их частота (в герцах) будет прямо пропорциональна величине скольжения.

f2пр=f1∙Sпр;

f2обр=f1∙Sобр.

Причем частота f2обр, образованная наведенным током I2обр, значительно превышает частоту f2пр.

Например, электродвигатель работает от сети 50 Гц с n1=1500, а n2=1440 оборотов в минуту. Его ротор имеет скольжение относительно магнитного потока прямого направления Sпр=0,04 и частоту тока f2пр=2 Гц. Обратное же скольжение Sобр=1,96, а частота тока f2обр=98 Гц.

На основании закона Ампера при взаимодействии тока I2пр и магнитного поля Фпр появится вращающий момент Мпр.

Мпр=сМ∙Фпр∙I2пр∙cosφ2пр.

Здесь величина постоянного коэффициента сМ зависит от конструкции двигателя.

При этом также действует обратный магнитный поток Мобр, который вычисляется по выражению:

Мобр=сМ∙Фобр∙I2обр∙cosφ2обр.

В итоге взаимодействия этих двух потоков появится результирующий:

М= Мпр-Мобр.

Внимание! При вращении ротора в нем наводятся токи разной частоты, которые создают моменты сил с разными направлениями. Поэтому якорь двигателя будет совершать вращение под действием пульсирующего магнитного поля в ту сторону, с которой он начал вращение.

Во время преодоления однофазным двигателем номинальной нагрузки создается небольшое скольжение с основной долей прямого крутящего момента Мпр. Противодействие тормозного, обратного магнитного поля Мобр сказывается совсем незначительно из-за различия частот токов прямого и обратного направлений.

f2обр обратного тока значительно превышает f2пр, а создаваемое индуктивное сопротивление Х2обр сильно превышает активную составляющую и обеспечивает большое размагничивающее действие обратного магнитного потока Фобр, который в итоге этого уменьшается.

Поскольку коэффициент мощности у двигателя под нагрузкой небольшой, то обратный магнитный поток не может оказать сильное воздействие на вращающийся ротор.

Когда же одна фаза сети подана на двигатель с неподвижным ротором (n2=0), то скольжения, как прямое, так и обратное равны единице, а магнитные поля и силы прямого и обратного потоков уравновешены и вращения не возникает. Поэтому от подачи одной фазы невозможно раскрутить якорь электродвигателя.

Как быстро определить частоту вращения двигателя:

Как создается вращение ротора у однофазного асинхронного двигателя

За всю историю эксплуатации подобных устройств разработаны следующие конструкторские решения:

1. ручная раскрутка вала рукой или шнуром;

2. использование дополнительной обмотки, подключаемой на время запуска за счет омического, емкостного или индуктивного сопротивления;

3. расщепление короткозамкнутым магнитным витком магнитопровода статора.

Первый способ использовался в начальных разработках и не стал применяться в дальнейшем из-за возможных рисков получения травм при запуске, хотя он не требует подключения дополнительных цепочек.

Применение фазосдвигающей обмотки в статоре

Чтобы придать начальное вращение ротору к статорной обмотке дополнительно на момент запуска подключают еще одну вспомогательную, но только сдвинутую по углу на 90 градусов. Ее выполняют более толстым проводом для пропускания бо́льших токов, чем протекающие в рабочей.

Схема подключения такого двигателя показана на рисунке справа.

Здесь для включения применяется кнопка типа ПНВС, которая специально создана для таких двигателей и широко использовалась в работе стиральных машин, выпускаемых при СССР. У этой кнопки сразу включаются 3 контакта таким образом, что два крайних после нажатия и отпускания остаются зафиксированы во включенном состоянии, а средний — кратковременно замыкается, а потом под действием пружины возвращается в исходное положение.

Замкнутые же крайние контакты можно отключить нажатием на соседнюю кнопку «Стоп».

Кроме кнопочного выключателя для отключений дополнительной обмотки в автоматическом режиме используются:

1. центробежные переключатели;

2. дифференциальные или токовые реле;

3. механические таймеры времени.

Для улучшения запуска двигателя под нагрузкой применяются дополнительные элементы в фазосдвигающей обмотке.

Подключение однофазного двигателя с пусковым сопротивлением

В такой схеме к статорной дополнительной обмотке последовательно монтируется омическое сопротивление. При этом намотка витков выполняется биффилярным способом, обеспечивающим коэффициент самоиндукции катушки очень близким к нулю.

За счет выполнения этих двух приемов при прохождении токов по разным обмоткам между ними возникает сдвиг по фазе порядка 30 градусов, чего вполне достаточно. Разность углов создается за счет изменения комплексных сопротивлений в каждой цепи.

При этом методе еще может встречаться пусковая обмотка с заниженной индуктивностью и увеличенным сопротивлением. Для этого применяют намотку с маленьким числом витков провода заниженного поперечного сечения.

Подключение однофазного двигателя с конденсаторным запуском

Емкостной сдвиг токов по фазе позволяет создать кратковременное подключение обмотки с последовательно соединенным конденсатором. Эта цепочка работает только во время выхода двигателя на режим, а затем отключается.

У конденсаторного запуска создается наибольший крутящий момент и более высокий коэффициент мощности, чем при резистивном или индуктивном способе запуска. Он может достигать величины 45÷50% от номинального значения.

В отдельных схемах к цепочке рабочей обмотки, которая постоянно включена, тоже добавляют емкость. За счет этого добиваются отклонения токов в обмотках на угол порядка π/2. При этом в статоре сильно заметен сдвиг максимумов амплитуд, который обеспечивает хороший крутящий момент на валу.

За счет этого технического приема двигатель при пуске способен выработать больше мощности. Однако, такой метод используют только с приводами тяжелого запуска, например, для раскрутки барабана стиральной машины, заполненного бельем с водой.

Конденсаторный запуск позволяет изменять направление вращения якоря. Для этого достаточно сменить полярность подключения пусковой или рабочей обмотки.

Подключение однофазного двигателя с расщепленными полюсами

У асинхронных двигателей с небольшой мощностью порядка 100 Вт используют расщепление магнитного потока статора за счет включения в полюс магнитопровода короткозамкнутого медного витка.

Разрезанный на две части такой полюс создает дополнительное магнитное поле, которое сдвинуто от основного по углу и ослабляет его в месте охваченного витком. За счет этого создается эллиптическое вращающееся поле, образующее момент вращения постоянного направления.

В подобных конструкциях можно встретить магнитные шунты, выполненные стальными пластинками, которые замыкают края наконечников статорных полюсов.

Двигатели подобных конструкций можно встретить в вентиляторных устройствах обдува воздуха. Они не обладают возможностью реверса.

electrik.info

Принцип работы трёхфазного асинхронного двигателя

Наиболее распространённым в промышленности типом двигателя переменного тока является трёхфазный асинхронный двигатель, изобретённый в 1888г. М. О. Доливо-Добровольским.

Рис. 43. Трёхфазный асинхронный двигатель

В пазах статора размещены три катушки, плоскости которых смещены одна относительно другой на 120°. Катушки соединены звездой. При подключении трёхфазной системы ЭДС к зажимам А, В, С в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле. В пазах ротора находятся три замкнутые на себя или на внешние сопротивления катушки (рис. 43).

Круговое вращающееся магнитное поле с угловой скоростью ω пересекает провода катушек неподвижного ротора и наводит в них ЭДС, и в катушках ротора потекут токи. По закону Ленца эти токи стремятся своим магнитным полем ослабить вызывающее их магнитное поле.

Механическое взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем приведёт к тому, что ротор начнёт вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле (правило левой руки).

Ротор вращается асинхронно, т.е. частота вращения его ωрменьше частоты вращения магнитного поля ω. Отсюда и название двигателя асинхронный.

Разность частот вращения поля и ротора отнесённая к скорости поля, называется скольжением:

(132)

Скольжение не может быть равно нулю, так как при одинаковых частотах вращения поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы вращающийся момент.

В рабочем режиме асинхронный двигатель находится в динамическом равновесии, когда создаваемый благодаря скольжению вращающий момент уравновешивает тормозящий момент нагрузки на его валу. С увеличением механической нагрузки тормозящий момент становится больше вращающего и скольжение увеличивается. Вследствие этого возрастают индуктированные в обмотке ротора ЭДС и токи, что вызывает увеличение вращающегося момента до нового состояния динамического равновесия (при большем скольжении).

Однако вращающий момент может расти с увеличением скольжения только до определённого предела, так называемого критического значения при критическом скольжении, после чего он падает, а двигатель затормаживается. В этот момент должна сработать максимальная токовая защита, иначе двигатель сгорит.

При нормальной нагрузке скольжение асинхронных двигателей в среднем составляет 2 – 4 %.

Принцип работы трёхфазного синхронного двигателя

Трёхфазный синхронный генератор, как и многие другие типы электрических машин, обладает свойством обратимости: он может работать как синхронный двигатель. Поэтому конструктивно синхронный двигатель мело отличается от синхронного генератора.

Если присоединить обмотку статора к трёхфазной системе ЭДС, а обмотку возбуждения ротора – к источнику постоянного тока, то вращающееся магнитное поле статора будет периодически создавать на валу моменты разных знаков. Поэтому ротор не сможет прийти во вращение – он будет вибрировать.

Для пуска двигателя необходимо сначала (при разомкнутой обмотке ротора) привести ротор во вращение от внешнего двигателя до частоты вращения, близкой к частоте вращения поля. Если после этого включить обмотку возбуждения ротора, то двигатель «втянется в синхронизм». Ротор будет вращаться синхронно с полем статора.

Ротор представляет собой электромагнит постоянного тока с явно выраженными полюсами. При втягивании в синхронизм ось поля ротора стремиться совпасть с результирующим вектором магнитной индукции .

Для пуска синхронного двигателя может быть использована специальная пусковая обмотка, действующая так же, как в асинхронном двигателе.

При строго синхронном вращении ротора имеется угловой сдвиг между осями полей статора и ротора, зависящий от нагрузки (от момента сопротивления на валу). С увеличением нагрузки этот угол увеличивается, благодаря чему момент вращения так же увеличивается. Максимальный вращающий момент получается при угле между ЭДС двигателя и напряжением сети около 90°, после чего дальнейшее увеличение нагрузки приводит к остановке двигателя и «выпадению» его из синхронизма.

Если изменять постоянный ток в цепи возбуждения ротора, то можно в широких пределах регулировать cosϕ двигателя. Так, при «недовозбуждённом» двигателе уголϕ положительный, т.е. ток отстаёт от напряжения, а при «перевозбуждённом» двигателе уголϕ отрицательный – ток опережает напряжение. Это свойство синхронных двигателей весьма ценно и широко используется в промышленности для повышенияcosϕэлектроустановок.

Синхронные двигатели выполняются обычно для номинальных режимов работы про cos= 1 иcos= 0,8 (опережающем).

studfiles.net

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

АСИНХРОННЫЙ - КОЛЛЕКТОРНЫЙ

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.

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.

В начало

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.

В начало

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

eltechbook.ru


Смотрите также