Как действуют асинхронные электромоторы
Среди всех агрегатов переменного тока, чаще всего во многих сферах используются асинхронные двигатели трехфазного тока. Общий принцип работы асинхронного мотора очень простой и будет рассмотрен ниже. Их количество составляет примерно 90% от всех выпускаемых изделий этого типа. Данные устройства широко используются в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и многих других областях.
Агрегаты асинхронного типа также, как и другие, выпускаются и используются для трансформации переменного тока в механическую работу вала. Если объяснять по-простому, для чайников, понятие асинхронный возникло из-за разницы, возникающей между частотами, с которыми вращаются магнитные поля статоров и роторов. Частота у статора во всех случаях превышает частоту вращения ротора.
Конструкция асинхронного двигателя
В конструкцию асинхронного электродвигателя входят две основные детали – статор и ротор.
Для изготовления статора используются стальные листы, а сам он имеет форму цилиндра. В пазы конструкции укладываются обмотки из медных проводников. Их оси сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 120 градусов. Соединение между собой концов каждой обмотки осуществляется по разным вариантам – в виде звезды или треугольником.
Роторные части асинхронных моторов изготавливаются в двух вариантах. В первом случае это изделия с короткозамкнутым ротором, собираемым в форме сердечника из стальных пластинок. В его пазы заливается алюминий в расплавленном виде, что приводит к образованию стержней, коротко замкнутых с торцевыми кольцами. В агрегатах повышенной мощности алюминиевый расплав по технологии заменяется медью.
Второй вариант представляет собой фазный ротор, имеющий такую же трехфазную обмотку, аналогичную обмотке у статора. Как правило, соединение обмоток в этом случае осуществляется звездой, а их свободные концы соединяются с контактными кольцами. Эти же кольца соединяются со щетками, обеспечивающими использование добавочного резистора. Данный элемент уменьшает слишком высокое значение пусковых токов.
Когда к обмотке трехфазного статора подается напряжение, во всех фазах возникает магнитный поток, изменяющийся с такой же частотой, как и в поступающем напряжении. У всех магнитных потоков имеется сдвиг на 120 градусов по отношению друг к другу. В результате образуется общий магнитный поток, который и обеспечивает собственное вращение. Он оказывает влияние на проводники роторных обмоток и создает в них ЭДС.
Образовавшийся ток начинает взаимодействовать с магнитным потоком статора, что, в результате, приводит к возникновению пускового момента электромотора. То есть, ротор устремляется к повороту в том же самом направлении, в каком осуществляется вращение магнитного поля статора. После того как пусковой момент превысит тормозной момент ротора, вал двигателя начнет вращаться.
Тяговый электродвигатель: назначение и применение
Виды электродвигателей: устройство, принцип работы
Подключение асинхронного электродвигателя
Схема реверса электродвигателя с магнитным пускателем
Крановые электродвигатели
Принцип действия синхронного двигателя
Якорь и коллектор
В состав якоря входит вал, сердечник, обмотки и коллектор. Конфигурация сердечника выполнена в форме цилиндра, а сам он изготовлен из тонких штампованных листов электротехнической стали. Для изоляции листов используется лак или бумага. В сжатом виде после сборки сердечник фиксируется нажимными шайбами. Благодаря устройству сердечника, удается компенсировать влияние вихревых токов и снизить в нем утечку электроэнергии. Охлаждение ТЭД выполняется за счет специальных каналов вентиляции, устроенных в сердечнике.
Для якорных обмоток используется медный проводник круглого или прямоугольного сечения. Он закладывается в выемки сердечника и качественно изолируется от него. Вся обмотка делится на секции, концы каждой из них соединяются с коллектором путем пайки.
В конструкцию каждого коллектора входит активная составляющая и система крепления. Изоляция медных коллекторных пластинок (7) выполняется с помощью специальных прокладок. Провода якорной обмотки припаиваются к выступу в конце элемента (5). Край пластин, расположенный снизу (6) после сборки зажимается с помощью двух нажимных колец (3). Эти кольца также изолируются, а сама изоляция утапливается на 1,5 мм внутрь скользящей поверхности коллектора.
Принцип работы
Рассмотрим асинхронный двигатель принцип работы и устройство. Для корректного подключения агрегата к сети, обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Действие механизма основано на использовании вращающегося магнитного поля статора. Частота вращения многофазной обмотки переменного поля (n1) определяется по формуле:
Здесь:
- f – частота сети в Герцах;
- p – Количество пар полюсов (как правило, 1-4 пары, поскольку чем их больше, тем ниже мощность и КПД, использование полюсов даёт возможность не применять редуктор, при низкой частоте вращения).
Магнитное поле, пронизывающее статор с обмоткой пронизывает и обмотку ротора. За счёт этого индуцируется электродвижущая сила. Электродвижущая сила самоиндукции в обмотке статора (Е1) направлена навстречу приложенному напряжению сети, ограничивая величину тока в статоре. Поскольку обмотка ротора замкнута, или идёт через сопротивление (короткозамкнутый ротор в первом случае, фазный ротор во втором случае), то под действием электродвижущей силы ротора (Е2) в ней образуется ток. Взаимодействие индуцируемого тока в обмотке ротора и магнитного поля статора создаёт электромагнитную силу (Fэл). Направление силы определяется по правилу левой руки.
Согласно правилу: левая рука устанавливается таким образом, что бы магнитно силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца направлялись вдоль движения тока в обмотке. Тогда отведённый большой палец покажет направление действия электромагнитной силы для конкретного проводника с током.
Совокупность электромагнитных сил двигателя будет равна общему электромагнитному моменту (М), который приводит в действие вал электродвигателя с частотой (n2). Скорость ротора не равна скорости вращения поля, поэтому эта скорость называется асинхронной скоростью. Вращающий момент в асинхронном двигателе развивается только при асинхронной скорости, когда скорость вращения ротора не равна скорости вращения магнитного поля
Важно, что бы при работе двигателя скорость ротора была меньше скорости поля (n2
Таким образом, частота вращения ротора (обороты) будет равна:
Принцип работы асинхронного электрического двигателя легко объясняется с помощью устройства, называющегося диск Арго – Ленца.
Постоянный магнит закрепляют на оси, которая устанавливается в устройстве, способном обеспечить её вращение. Перед полюсами магнита (N-S) помещают диск, выполненный из меди. Диск так же крепится на оси и свободно вращается вокруг неё.
Если вращать магнит за рукоятку, диск тоже будет вращаться в том же направлении. Эффект объясняется тем, что магнитные линии поля, создаваемые магнитом, замыкаются от северного полюса к южному полюсу, пронизывая диск. Эти линии образуют в диске вихревые токи, которые взаимодействуя с полем, приводят к возникновению силы, вращающей диск. Закон Ленца гласит, что направление всякого индукционного тока противодействует величине, вызвавшей его. Вихревые токи пытаются остановить магнит, но поскольку это не возможно, диск следует за магнитом.
Примечательно, что скорость вращения диска всегда меньше скорости вращения магнита. В асинхронных электродвигателях магнит заменяет вращающееся магнитное поле, созданное токами трёхфазной обмотки статора.
Способы пуска
Пуск синхронных электродвигателей можно осуществить тремя способами – с помощью дополнительного двигателя, асинхронный и частотный запуск. При выборе способа учитывается конструкция ротора.
Он выполняется с постоянными магнитами, с электромагнитным возбуждением или комбинированным. Наряду с обмоткой возбуждения на роторе смонтирована короткозамкнутая обмотка – беличья клетка. Её также называют демпфирующей обмоткой.
Запуск с помощью разгонного двигателя
Этот метод пуска редко применяется на практике, потому что его сложно реализовать технически. Требуется дополнительный электродвигатель, который механически соединен с ротором синхронного двигателя.
С помощью разгонного двигателя раскручивается ротор до значений близких к скорости вращения поля статора (к синхронной скорости). После чего на обмотку возбуждения ротора подают постоянное напряжение.
Контроль осуществляется по лампочкам, которые включены параллельно рубильнику, подающему напряжение на обмотки статора. Рубильник должен быть отключен.
В первоначальный момент лампы мигают, но при достижении номинальных оборотов они перестают гореть. В этот момент подают напряжение на обмотки статора. После чего синхронный электродвигатель может работать самостоятельно.
Затем дополнительный мотор отключается от сети, а в некоторых случаях его отсоединяют механически. В этом состоят особенности пуска с разгонным электродвигателем.
Асинхронный запуск
Метод асинхронного пуска на сегодня самый распространенный. Такой запуск стал возможен после изменения конструкции ротора. Его преимущество в том, что не нужен дополнительный разгонный двигатель, так как дополнительно к обмотке возбуждения в ротор вмонтировали короткозамкнутые стержни беличьей клетки, что дало возможность запускать его в асинхронном режиме. При таком условии этот способ пуска и получили широкое распространение.
Сразу же рекомендуем просмотреть видео по теме:
При подаче напряжения на обмотку статора происходит разгон двигателя в асинхронном режиме. После достижения оборотов близких к номинальным, включается обмотка возбуждения.
Электрическая машина входит в режим синхронизма. Но не все так просто. Во время пуска в обмотке возбуждения возникает напряжение, которое возрастает с ростом оборотов. Оно создает магнитный поток, который воздействует на токи статора.
При этом возникает тормозящий момент, который может приостановить разгон ротора. Для уменьшения вредного воздействия обмотки возбуждения подключают к разрядному или компенсационному резистору. На практике эти резисторы представляют собой большие тяжелые ящики, где в качестве резистивного элемента используются стальные спирали. Если этого не сделать, то из-за возрастающего напряжения может произойти пробой изоляции. Что повлечет выход оборудования из строя.
После достижения подсинхронной частоты вращения, от обмотки возбуждения отключаются резисторы, и на нее подается постоянное напряжение от генератора (в системе генератор-двигатель) или от тиристорного возбудителя (такие устройства называются ВТЕ, ТВУ и так далее, в зависимости от серии). В результате чего двигатель переходит в синхронный режим.
Недостатками этого метода являются большие пусковые токи, что вызывает значительную просадку напряжения питающей сети. Это может повлечь за собой остановку других синхронных машин, работающих на этой линии, в результате срабатывания защит по низкому напряжению. Для уменьшения этого воздействия цепи обмоток статора подключают к компенсационным устройствам, которые ограничивают пусковые токи.
Частотный пуск
Частотный пуск синхронных двигателей применяется для запуска устройств большой мощности (от 1 до 10 МВт) с рабочим напряжением 6, 10 Кв, как в режиме легкого запуска (с вентиляторным характером нагрузки), так и с тяжелым пуском (приводов шаровых мельниц). Для этих целей выпускаются устройства мягкого частотного пуска.
Принцип работы аналогичен высоковольтным и низковольтным устройствам, работающим по схеме преобразователя частоты. Они обеспечивают пусковой момент до 100% от номинала, а также обеспечивают запуск нескольких двигателей от одного устройства. Пример схемы с устройством плавного пуска вы видите ниже, оно включается на время запуска двигателя, а затем выводится из схемы, после чего двигатель включается в сеть напрямую.
Назначение и устройство добавочных полюсов
Каждый тяговый электродвигатель мощностью более 1 кВт оборудуется дополнительными полюсами, для того чтобы снизить количество искр, появляющихся на щетках. Их устройство очень простое, включающее в себя сердечник (1) и катушку (2), где использован медный проводник в изоляции. Его сечение рассчитывается по рабочему току двигателя, поскольку эта катушка и обмотка якоря последовательно подключаются друг к другу.
Стальной сердечник изготавливается в виде монолитной конструкции, по причине отсутствия в нем вихревых токов, так как магнитная индукция имеет очень малую величину. Местом монтажа дополнительных полюсов определен промежуток между главными полюсами, а крепление к станине выполняется специальными болтами. Величина воздушной прослойки под ними существенно превышает зазор под главными полюсами. Его регулировка выполняется при помощи специальных пластин из материалов магнитного или немагнитного типа, а окончательная величина определяется, когда тяговый двигатель постоянного тока настраивается на коммутацию при достижении минимального количества искр.
Синхронные двигатели: устройство и принцип действия
Основные части синхронного двигателя – это якорь (статор, неподвижная часть) и индуктор (ротор), разделенные воздушной прослойкой. В пазы статора закладывают трехфазную распределенную обмотку – обычно она соединяется «звездой».
Рис. 2 Схема синхронного двигателя
С началом работы двигателя тока, подаваемые в якорь, создают вращение магнитного поля, которое пересекает поле индуктора, что в результате взаимодействия двух полей переходит в энергию. Поле якоря чаще называют иначе – поле реакции якоря. В генераторах такое получают при помощи индуктора. Входящие в состав индуктора электромагниты постоянного тока принято называть полюсами. При этом индукторы во всех синхронных двигателях могут исполняться по двум схемам – явнополюсной и неявнополюсной, различающиеся между собой расположением полюсов. Чтобы уменьшить значение магнитного сопротивления и тем самым улучшить условия для прохождения магнитного потока, применяют ферромагнитные сердечники. Они располагаются в статоре и роторе, для их изготовления используют специальную марку стали – электротехническую, отличающую высоким содержанием кремния – это позволяет уменьшить вихревые токи и повысить электрическое сопротивление стали.
Рис. 3. Магнитные поля в синхронном двигателе
В основу работы синхронного двигателя положен принцип взаимного влияния полюсов индуктора и магнитного поля, индуцируемого якорем. При запуске осуществляется разгон двигателя до частоты, которая близка по своему значению частоте, с которой происходит в зазоре вращение магнитного поля. Только при выполнении этого условия двигатель переходит в функционирование в синхронном режиме. В данный момент пересекаются магнитные поля, инициируемые индуктором и ротором. Этот момент в технической литературе принято называть входом в синхронизацию.
Работа синхронного двигателя наглядно представлена на видео:
Длительное время в качестве разгонного двигателя использовался стандартный синхронный двигатель, который был механически соединен с синхронным. Благодаря этому, ротор на синхронном двигателе механически разгонялся до подсинхронной скорости, а затем уже самостоятельно, за счет взаимодействия электромагнитных полей, втягивался в синхронизм. Обычно при подборе мощности пускового двигателя исходили из соотношения 10-15% от номинальной мощности разгоняемого двигателя. Такого запаса мощности вполне хватало запустить синхронный двигатель не только в холостую, но даже и при незначительной нагрузке на валу.
Рис. 4 Синхронный двигатель (1) с внешним разгонным (2) двигателем
Такой способ разгона усложняет и существенно удорожает общую стоимость, поэтому в современных двигателях от него отказались в пользу разгона в состоянии асинхронного режима. В этом случае с помощью реостата (короткозамкнутым путем) обмотки индуктора замыкают, как в асинхронном двигателе. Чтобы провести запуск двигателя в таком режиме, на ротор устанавливают короткозамкнутую обмотку, выступающую одновременно и как успокоительная обмотка, устраняющая во время проведения синхронизации раскачивание ротора. В момент, когда скорость вращения достигнет требуемого номинального значения, в индуктор будет подан постоянный ток. Но для двигателей, в которых стоят постоянные магниты, все равно придется для разгона использовать внешние двигатели.
В криогенных синхронных машинах используется так называемая обращенная конструкция, при которой размещение индуктора и якоря выполнено наоборот, т.е. индуктор расположен на статоре, а якорь – на роторе. В таких машинах обмотки возбуждения состоят из материалов, обладающими свойствами сверхпроводимости.
Обмотки ротора
Вращающаяся часть асинхронного двигателя — ротор, так же как и статор, имеет обмотку. Она помещена в пазах 1 стального цилиндра (рис. 9), набранного, как и сердечник статора, из листов электротехнической стали (рис. 10) толщиной 0,5 мм. После штамповки листы собирают в пакет, плотно сжимают, насаживают на вал двигателя и закрепляют. В пазах ротора помещается или короткозамкнутая, или фазная обмотка. Изоляцией между листами ротора обычно
Рис. 9. Фазный ротор асинхронного двигателя: 1 — сердечник ротора; 2 — обмотка ротора; 3 — контактное кольцо
Рис. 10. Стальной лист ротора
Рис. 11. Продольный разрез асинхронного двигателя с фазным ротором: 1 — вал; 2 — активная сталь ротора; 3 — обмотка статора; 4 — станина; 5 — активная сталь статора; 6 — подшипниковый щит; 7 — контактные кольца; 8 — щетки; 9 — коробка выводов
Рис. 12. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором
Рис. 13. Короткозамкнутый ротор двигателя с алюминиевой литой обмоткой
Рис. 14. Беличье колесо
Рис. 15. Трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель
Рис. 16. Роторы короткозамкнутые: а — с обычной клеткой; б — с двойной клеткой; в — с глубокой клеткой
служит пленка окисла. Активная сталь ротора является частью магнитной цепи двигателя. Обмотка может быть фазной, построенной по тому же принципу, что и обмотка статора. Делается это в том случае, когда в фазы обмотки включается добавочное сопротивление (реостат), необходимый при пуске или регулирования скорости двигателя. Фазный ротор показан на (рис. 9). Обмотка ротора 2 соединяется в звезду, а выводы подключаются к трем контактным кольцам 3, насаженным на вал ротора и изолированным от вала и друг от друга. Контактные кольца изготавливаются из меди, бронзы, редко из стали.
Продольный разрез двигателя с фазным ротором показан на рис. 11.
Чаще изготовляются двигатели с короткозамкнутой обмоткой ротора. Если в пазы ротора уложены голые медные или алюминиевые стержни, концы которых замкнуты накоротко кольцами, то такая обмотка называется короткозамкнутой. Обмотка образует клетку, называемую беличьей; показана отдельно на рис. 14. Короткозамкнутую обмотку ротора делают в трех модификациях: с нормальной клеткой, с двойной клеткой и с глубоким пазом (рис. 16). Для двигателей до 100 кВт чаще всего клетку получают путем отливки из алюминия, при этом одновременно отливаются торцевые кольца и лопасти вентилятора для охлаждения двигателя (рис. 13). Роторные обмотки также выполняют из меди и ее сплавов. В пазы прямоугольной или трапецеидальной формы забивают стержни, к стержням с обеих сторон припаивают твердым припоем замыкающие кольца.
Вид двигателя с фазным ротором и с короткозамкнутым, имеющим внешний обдув для охлаждения, показан на рис. 12 и 15.
Подключение асинхронного двигателя
Трехфазный переменный ток
Электрическая сеть трехфазного переменного тока получила наиболее широкое распространение среди электрических систем передачи энергии. Главным по сравнению с однофазной и двухфазной системами является ее экономичность. В трехфазной цепи энергия передается по трем проводам, а токи текущие в разных проводах сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120°, при этом синусоидальные ЭДС на разных фазах имеют одинаковую частоту и амплитуду.
Трехфазный ток (разница фаз 120°)
Звезда и треугольник
Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).
Фазное напряжение — разница потенциалов между началом и концом одной фазы
Другое определение для соединения «звезда»: фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью (обратите внимание, что у схемы «треугольник» отсутствует нейтраль)
Линейное напряжение — разность потенциалов между двумя линейными проводами (между фазами).
| Звезда | Треугольник | Обозначение |
|---|---|---|
| Uл, Uф — линейное и фазовое напряжение, В, | ||
| Iл, Iф — линейный и фазовый ток, А, | ||
| S — полная мощность, Вт | ||
| P — активная мощность, Вт |
Внимание: Несмотря на то, что мощность для соединений в звезду и треугольник вычисляется по одной формуле, подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.
Пример: Допустим электродвигатель был подключен по схеме «звезда» к трехфазной сети переменного тока Uл=380 В (соответственно Uф=220 В) и потреблял ток Iл=1 А
Полная потребляемая мощность:
S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.
Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же Uл=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз Uф=Uл=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы «треугольник» будет в три раза больше линейного тока схемы «звезда». А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:
S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.
Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме «звезда», подключение данного электродвигателя по схеме «треугольник» может привести к его поломке.
Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме «треугольник», то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.
Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник
Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя
Обозначение выводов обмоток статора вновь разрабатываемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | U1 | U2 |
| вторая фаза | V1 | V2 |
| третья фаза | W1 | W2 |
| Соединение в звезду (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | U | |
| вторая фаза | V | |
| третья фаза | W | |
| точка звезды (нулевая точка) | N | |
| Соединение в треугольник (число выводов 3) | ||
| первый вывод | U | |
| второй вывод | V | |
| третий вывод | W |
Обозначение выводов обмоток статора ранее разработанных и модернизируемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | C1 | C4 |
| вторая фаза | C2 | C5 |
| третья фаза | C3 | C6 |
| Соединение звездой (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | C1 | |
| вторая фаза | C2 | |
| третья фаза | C3 | |
| нулевая точка | ||
| Соединение треугольником (число выводов 3) | ||
| первый вывод | C1 | |
| второй вывод | C2 | |
| третий вывод | C3 |
Подключить двигатель к однофазной цепи
Изготовленный для работы от трёхфазного источника питания электромотор может работать и от домашней однофазной сети, но при этом существенно снизятся его характеристики, такие как КПД, коэффициент мощности. Кроме того, снизятся мощность и пусковые показатели.
Если же без подключения не обойтись, то требуется из трёх обмоток статора собрать схему, где их будет только две. Одна рабочая, а другая пусковая. Например, есть три катушки с началами С1, С2, С3 и концами С4, С5, С6 соответственно. Для создания первой (рабочей) обмотки двигателя объединяем концы С5 и С6, а их начала С3 и С2 подключаем к источнику однофазного тока, например, бытовой сети 220 вольт. Роль второй, пусковой обмотки, будет выполнять оставшаяся незадействованная катушка стартера. Она подключается к источнику питания через конденсатор, соединённый с ней последовательно.
Области применения электродвигателей
На сегодняшний день электроприводы — это главные потребители энергетики. Практически половина всей потребляемой энергии в мире приходится на самые разнообразные модели электромоторов. Электроприводы крайне востребованы во всех сферах нашей жизни, в промышленных отраслях и бытовом использовании. Давайте рассмотрим, где применяются электромоторы
- промышленная отрасльшлифовальное, металлообрабатывающее, деревообрабатывающее насосное, конвейерное, компрессорное оборудование, вентиляторы, производство автомобилей и другой техники;
- сфера строительства строительствоустройства выступают компонентами лебедок, талей, кранов и прочего подъемно—транспортного оборудования, используются в лифтовых системах, узлах отопления, вентилирования и кондиционирования воздуха (функционируют за счет крыльчатки электрического двигателя);
- бытовая техникахолодильники, пылесосы, комплектующие для ПК и ноутбуков (HDD—диски, кулеры), системы климат—контроля и кондиционеры, стиральные машины, миксеры и т.д.
Как видим, эксплуатация электроприводов распространена повсеместно.
