ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Двигатели переменного тока (ЭПТ) относятся к категории силовых агрегатов, в основу работы которых заложен принцип преобразования электрической энергии в механическое вращение.

Функционирование таких электротехнических устройств основано на эффекте вращающегося магнитного поля, создаваемого в статоре за счет соответствующего распределения питающего напряжения. Для понимания принципа работы двигателей переменного тока потребуется ознакомиться с существующими разновидностями этих агрегатов.

Виды двигателей переменного тока.

В зависимости от конструктивных особенностей и характера связи электромагнитного (э/м) поля вращающегося ротора и ЭДС неподвижного статора различают синхронные и асинхронные двигатели. В первых эта связь жесткая, а в асинхронных частоты их вращения отличаются на величину так называемого «скольжения».

По количеству полюсов, электромагнитных катушек статора и типу питающего напряжения все известные модели делятся на:

• однофазные (включая конденсаторные);
• трехфазные двигатели переменного тока;
• шаговые (многофазные) агрегаты.

По способу организации возбуждения и характеру связи с ротором различают коллекторные и бесколлекторные электродвигатели.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Независимо от типа электрической машины (синхронная или асинхронная, коллекторная или бесколлекторная) все они обладают следующими техническими характеристиками:

• количество рабочих фаз – одна или три (за исключением шаговых моделей);
• мощность электрическая и на валу;
• схемы соединения обмоток («звезда» или «треугольник»);
• класс защиты оборудования.

В однофазных машинах запуск осуществляется либо вручную, либо в них предусматривается специальная пусковая обмотка (фазосдвигающая цепочка с конденсатором).

В 3-х фазных агрегатах вращающееся э/м поле создается тремя независимыми катушками, размещенными на статоре под углом 120 градусов одна к другой. Соответствующие им ЭДС разнесены в электрическом пространстве на те же углы.

1. Электрической называют мощность, потребляемую от сети фазными обмотками двигателя в рабочем режиме.

2. Механическая мощность на валу – развиваемое ЭПТ вращательное усилие, измеряемое в Ваттах и характеризующее эффективность преобразования или КПД всего двигателя.

Схема включения обмоток выбирается с учетом особенностей конструкции агрегата и условий его работы. Чаще всего в бытовом электрооборудовании и инструменте применяется схема включения типа «звезда».

Класс защиты электродвигателей от проникновения внутрь механических частиц грязи, а также от попадания влаги устанавливается согласно стандарту EN 60034.

Для его обозначения используют две английские буквы IP со следующими за ними цифрами. Первая соответствует уровню защиты от попадания твердых частиц, а вторая – от проникновения во внутрь влаги.

КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Конструкция коллекторных электродвигателей содержит в своем составе следующие обязательные компоненты:

• ротор особой конструкции;
• статор с основными и возбуждающими обмотками;
• коллекторный узел с комплектом щеток.

Основа ротора (якоря) – магнитопровод из пластин электротехнической стали, между полюсами которого при изготовлении по определенной схеме укладываются витки медного провода.

Концы обмоток выводятся на коллекторный узел, являющийся коммутаторной частью системы (здесь осуществляется их переключение). С его помощью обмотка якоря соединяется со статорной в последовательную цепочку. При этом создаваемое в ней поле взаимодействуют с магнитным потоком статора, создавая необходимый вращающий момент.

Преимущества и недостатки.

К достоинствам коллекторных двигателей переменного тока относят плавность запуска и простоту схемы возбуждающей цепочки, включенной последовательно с основной обмоткой. Отмечается также возможность получения значительных по величине вращательных моментов. Эти изделия надежны в работе и хорошо «держат» предельные нагрузки на валу.

Недостатки этих агрегатов представлены ниже:

• повышенный уровень шумности;
• низкий по сравнению с бесколлекторными конструкциями кпд;
• необходимость постоянного обслуживания коллекторного узла из-за износа и загрязнения его элементов (ламелей);
• потребность в обновлении и регулировки щеток;
• высокий уровень радиопомех.

К минусам коллекторных электродвигателей также относят недостаточную надежность рабочих узлов и малые сроки эксплуатации входящих в их состав элементов.

Область применения коллекторных двигателей определяется особенностью их конструкции.

При частоте сетевого напряжения 50 Гц скорость вращения вала у этих изделий достигает 9000-10000 об/мин. Именно поэтому двигатели с коллекторным узлом типа широко применяются в бытовой аппаратуре самого различного класса.

Это:

• стиральные машины;
• электромясорубки, кофемолки и миксеры;
• электроинструмент (дрели, болгарки, перфораторы и т. п.).

Сегодня традиционные коллекторные двигатели везде, где это возможно, заменяются современными бесщеточными агрегатами.

С расширением и удешевлением современной электронной базы их производство становится более выгодным. Одновременно совершенствуются схемы управления, работающие на полупроводниковых элементах различного класса.

УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В основу управления режимами работы двигателей переменного тока заложен принцип зависимости частоты вращения вала от величины напряжения, прикладываемого к катушкам статора.

При фиксированной величине тока это означает изменение мощности, передаваемой в нагрузочную (роторную) цепь. Еще один параметр, которым нередко приходится управлять при эксплуатации двигателей рассматриваемого класса – направление вращения вала (реверс).

Для реализации двух этих возможностей применяются различные схемы, построенные на компонентах того или иного типа.

Это могут быть:

• транзисторные ключи или реле;
• тиристорные элементы;
• электронные тиристоры (симисторы).

Транзисторы применяется сегодня крайне редко, поскольку на смену им пришли более эффективные тиристорные и симисторные управляющие элементы.

С их помощью удается непосредственно изменять величину мощности, отдаваемой в нагрузочную цепочку ротора. Для этих целей применяются современные методы широтно-импульсного или фазоимпульсного управления.

Для получения нужной частоты вращения вала и мощности, отдаваемой непосредственно в нагрузку, используется особый электронный элемент – симистор. Степень его открытия задается подачей на управляющий электрод соответствующего напряжения или последовательности прямоугольных импульсов.

Во втором случае частота следования задает время открытия прямого перехода симистора, что в конечном счете определяет величину мощности, передаваемой в управляемую роторную цепочку.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Устройство, принцип работы и подключения электродвигателей переменного тока

Подписка на рассылку

Электродвигатели переменного тока являются электротехническими устройствами, которые преобразовывают электрическую энергию в механическую. Электромоторы нашли широкое применение во многих отраслях промышленности для привода всевозможных станков и механизмов. Без такого оборудования невозможна работа стиральных машин, холодильников, соковыжималок, кухонных комбайнов, вентиляторов и других бытовых приборов.

По принципу работы электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Асинхронные электромоторы переменного тока наиболее часто применяются в промышленности.

Стоит рассмотреть устройство электродвигателя переменного тока асинхронного.

Данный вид электромоторов состоит из главных частей — статора и ротора. В современных асинхронных электромоторах статор имеет неявно выраженные полюсы.

Для того чтобы максимально снизить потери от вихревых токов, сердечник статора изготавливают из соответствующей толщины листов электротехнической стали, подвергшихся штамповке. В пазы статора впрессовывается обмотка из медного провода. Фазовые обмотки статора устройства могут соединяться «звездой» или «треугольником». При этом все начала и концы впрессованных обмоток электромотора выводятся на корпус — в клеммную коробку. Подобное устройство статора электродвигателя оправданно, так как дает возможность включать его обмотки на различные стандартные напряжения. Сердечник статора запрессовывается в чугунный или алюминиевый корпус.

Ротор асинхронного мотора также состоит из подвергшихся штамповке листов электротехнической стали, и во все его пазы закладывается обмотка.

Учитывая конструкцию ротора, асинхронные электродвигатели подразделяются на устройства с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.

Обмотку короткозамкнутого ротора, сделанную из медных стержней, закладывают в пазы ротора. При этом все торцы стержней соединяют при помощи медного кольца. Данный вариант обмотки считается обмоткой типа «беличья клетка». Стоит отметить, что медные стержни в пазах ротора не изолируются. Во многих асинхронных электромоторах «беличью клетку» сменяют литым ротором. Ротор напрессовывается на вал двигателя и является с ним одним целым.

Синхронные электродвигатели устанавливаются в различных электроинструментах, пылесосах, стиральных машинах. На корпусе синхронного электромотора переменного тока имеется сердечник полюса, в котором расположены обмотки. Обмотки возбуждения намотаны и на якорь. Их выводы припаяны ко всем секторам токосъемного коллектора, на которые при использовании графитовых щеток подается напряжение.

Принцип действия электродвигателя переменного тока основан на применении закона электромагнитной индукции. При взаимодействии переменного электрического тока в проводнике и магните может возникнуть непрерывное вращение.

В синхронном электродвигателе якорь вращается синхронно с электромагнитным полем полюса, а у асинхронного электромотора ротор вращается с отставанием от вращающегося магнитного поля статора.

Для работы асинхронного электромотора необходимо, чтобы ротор устройства вращался в более медленном темпе, чем электромагнитное поле статора. При подаче тока на обмотку статора между сердечником статора и ротора возникает электромагнитное поле, которое наводит ЭДС в роторе. Возникает вращающийся момент, и вал электродвигателя начинает вращаться. Из-за трения подшипников или определенной нагрузки на вал, ротор асинхронного двигателя всегда вращается в более медленном темпе.

Принцип работы электродвигателя переменного тока асинхронного заключается в том, что магнитные полюса устройства постоянно вращаются в обмотках электромотора и направление тока в роторе постоянно меняется.

Скорость вращения ротора электромотора асинхронного зависит от общего количества полюсов. Для того чтобы понизить скорость вращения ротора в таком двигателе, требуется увеличить общее количество полюсов в статоре.

В синхронных электродвигателях вращающий момент в устройстве создается при взаимодействии между током в обмотке якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. При изменении направления переменного тока одновременно меняется направление магнитного потока в корпусе и якоре. При таком варианте вращение якоря всегда будет в одну сторону. Примечательно, что плавная регулировка скорости вращения таких электромоторов регулируется величиной подаваемого напряжения, при помощи реостата или переменного сопротивления.

В зависимости от напряжения сети фазные обмотки статора асинхронного электромотора могут подсоединяться в «звезду» или «треугольник». Схема электродвигателя переменного тока при подключении его в сеть с напряжением 220 Вольт обмотки соединяются в треугольник, а при подключении в сеть 380 Вольт — схема обмоток имеет вид звезды.

Электроника для всех

Блог о электронике

Двигатели переменного тока. Принцип работы, характеристики и управление

Продолжаем наш ликбез по движкам. На этот раз речь пойдет о переменном токе, трехфазных движках разной конструкции. Их характеристикам, устройству и принципу работы. Ну и заодно подготавливаем почву под BLDC, так как там получается зверский гибрид всего и вся.

▌Вращающееся поле
Вращающееся поле это краеугольный камень всех машин переменного тока. Без него ничего не было бы и все было бы уныло и пресно. Делается оно посредством хитрой обмотки и хитрого напряжения. Сейчас подробно покажу как.

Начнем с упрощенной одновитковой обмотки. Вот такой:

Подаем на него напряжение, получаем ток, создающий магнитный поток. Направление потока зависит от направления тока. Определяется по правилу буравчика. Вспоминаем курс физики из школы 🙂 Если сунуть туда синусоидальное напряжение, то поток через обмотку будет шнырять туда-сюда по синусоидальному же закону.

Берем три обмотки и ставим их так, чтобы магнитное поле, ими генерируемое, было направленно под 120 градусов относительно катушек.

Получаем упрощенный вариант статора. Соединяем обмотки треугольником:

Оставим от него только направления векторов, чтобы посмотреть на это в разрезе. И загоняем в эту обмотку трехфазное напряжение. Три синуса, сдвинутые под 120 градусов.

Если взять в какой-либо момент времени напряжения и разложить магнитные потоки по векторам, которые задают наши катушки, с учетом знака, а потом все суммировать, то получим результирующий вектор магнитной индукции трех катушек. Проделав ту же операцию на несколько углов вперед будет явно видно, что результирующий вектор вращается аки часовая стрелка.

Т.е. статор, с точки зрения магнитного поля, ведет себя как вращающийся магнит. Делающий один оборот за период. Вот вам каноничная картинка, что есть в каждом учебнике по электромашинам. Полный оборот поля. Я лишь сделал ее более няшный вариант, раскрасив витки в цвета обмоток, чтобы по феншую было все.

Скорость вращения поля зависит от частоты сети. n₁ = 60*f (об/мин) эта скорость зовется синхронной скоростью. Но не все так просто. Количество полюсов машины может быть и иным. Выше был пример статора двухполюсной машины. Два полюса потому, что там у результирующего магнитного потока есть север и юг и все. Но полюсов может быть больше.

Для этого обмотку каждой фазы делают из двух соединенных катушек, как то так:

И размещают их со сдвигом в 60 градусов. Вот, примерно, следующим образом. Тут у меня по одному недавитку, но их может быть и сто. Соединение секций между собой выделено более тонким проводом и чуть другим цветом.

В результате получается вот такая вот магнитная схема:

Видно, что эти четыре гипножабы образуют четыре полюса, два северных, два южных. А дальше как в старом советском мультике… пока ты на коне на четырех ногах раааз, двааа, триии, четырее… он на своих двоих раз-два, раз-два, раз-два. В четырехполюсном движке поле вращается вдвое медленней, т.к. за один период оно пробежит только пол оборота. Чем больше полюсов, тем медленней вращается поле.

С учетом количества полюсов синхронная скорость вычисляется так: n₁=60*f/p ,где p — число катушек в одной фазе. Правда тут стоит учитывать такой случай, что катушки можно намотать так, что две будут вести себя как одна. В этом случае, естественно, считаем ее за одну, хоть их физически и две.

На этом принципе, кстати, в некоторых случаях делают управление скоростью двигателя. Т.е. хитро переключая катушки делают, например, либо два полюса, либо четыре. Ступенчато переключая скорость.

▌Реверс поля
Тут даже и говорить нечего — меняем местами две фазы и поле поехало в другую сторону. Элементарно 🙂

▌Асинхронный двигатель
Вы наверняка все знаете его. Помнишь как в детстве, разбираешь движок, надеешься на нямку и ништяки, а оттуда выпадает тупая алюминиевая блямба и обламывает весь кайф. Вот такой вот, малята, АД. В смысле асинхронный двигатель.

Асинхронный двигатель это король электропривода. Он технологичен, а значит дешев. Надежен, там трутся только подшипники. Прост и легко запускается. Не требует никакого дорогостоящего барахла, вроде редкоземельных магнитов. Есть у него и недостатки — сложности регулирования скорости и своебразная механическая характеристика, но все это решается умной электроникой.

Как же он работает то? Сейчас разберем.

Итак, у нас есть статор и его вращающееся поле:

в него мы помещаем короткозамкнутую обмотку ака «беличье колесо»

Она состоит из штырей закороченных на лобовые кольца. А обычно еще проще делают. Набирают шихтованный ротор (т.е. из изолированных пластин, чтобы гасить вихервые токи) окаливают его, создавая тем самым изоляцию, а потом заливают в пазы цельнолитую алюминиевую обмотку. Дешево, просто, технологично.

Так вот, поле бежит мимо этих штырей наводя в них ЭДС. А так как обмотка замкнута, то эта ЭДС порождает ток. Но если у нас есть ток и есть магнитное поле статора, то должна неминуема появиться сила Ампера. И она появляется. Обмотка начинает увлекаться за полем. Но догнать его не может никогда, ведь если она его догонит, то движение поля относительно обмоток станет равным нулю и сила пропадет. Вот так и плетется она в конце на подсинхронной частоте. Потому и зовется двигатель асинхронным. А относительная разность скорости поля и ротора зовется скольжением.

Измеряется в единицах или процентах. Обычно, на номинальном моменте, скольжение составляет 2-7% С ростом нагрузки скольжение растет. А скорость вращения движка завязана на скорость поля. Что сильно обламывает любителей регулировать скорость. Потому то асинхронные двигатели до сих пор не вытеснили те же коллекторные отовсюду откуда можно. Мало того, что им нужна переменка, так еще и не погазуешь нифига.

▌Механическая характеристика АД. Пуск и регулирование скорости
Она весьма извилистая, с рядом приколов. Вот такая:

Обратите внимание на разницу между пусковым и максимальным моментом. Т.е. движок должен стартануть в относительно тепличных условиях и лишь потом можно его грузить. Да и то до некоторого предела, до точки Ж, где случается жопа. Машина теряет устойчивость, момент резко снижается, а обороты падают до нуля. Движок лишь беспомощно дергается и очень сильно греется. Ведь в этот момент он превращается в обычный трансформатор у которого ротор это вторичная обмотка и она закорочена наглухо.

Вариантов борьбы с этим явлением несколько. Обычно конструктивные, делают либо две беличьи клетки одна над другой, либо просто глубокие пазы, т.е. клетка получается не из прутьев, а из пластин. Это снижает разницу между моментом критическим и пусковым. Еще, в особо тяжелых случаях, вроде кранового привода, делают фазный ротор. Т.е. обмотка не беличья клетка, а нормальная обмотка трехфазная. Из провода, ее концы с одной стороны соединены звездой, а с другой вытащены наружу через контактные кольца. Вот как на этой картинке под четвертым номером:

С них заводят на пусковые сопротивления:

И при пуске вводят все сопротивления в ротор, при этом ток падает, механическая характеристика проседает, а пусковой момент увеличивается. Потом, по мере разгона, сопротивления выводят посекционно, а движок переходит с одной характеристики на другую, пока не выйдет на естественную. Делается это автоматом, по реле времени или через реле контроля скорости.

Впрочем, это вам так, для общего развития. Не думаю, что с таким пуском столкнетесь вживую. Разве что вы не работаете цеховым электриком и колупаете краны выпуска еще прошлого века. Сейчас все это активно отмирает и заменяется на частотное регулирование.

Снижение напряжения фазного дает лишь некоторое смягчение характеристики, с падением момента. Но обороты остаются в целом прежними.

Т.е. по простому скоростью не порулишь как хочется. Что делать? На помощь тут идет электроника и частотное регулирование. Т.е. мы сетевое напряжение сначала выпрямляем, а потом на инверторе вкручиваем любую частоту какая нам нужна. И профиты сплошные. выглядит это так:

Но тут мы наблюдаем другую проблему — разгоняя частоту мы теряем в критическом моменте и снижается пусковой момент. Почему? А дело все в том, что поток завязан на частоту.

Если пренебречь падением напряжения на обмотках статора, то ЭДС примерно будет равна напряжению на фазах движка.

К — конструктивный коэффициент.

Т.е. у нас поток Ф зависит от частоты. Повышаем частоту и чтобы уравнение выполнялось должен снизиться поток, со всеми последствиями в виде провала по моменту.

Но что если заложить номинальную частоту в максимум возможного для данного двигателя, а регулировать вниз? Тут тоже проблемы возникнут. Поток будет расти, но бесконечно расти он не сможет, железо магнитопровода перенасытится и упадет КПД. Это просто энергетически невыгодно, зачем нам грелка, когда нужна крутилка?

Так что при изменении частоты не помешает и подкорректировать напряжение так, чтобы держать поток в пределах номинального, так потерь меньше.

▌Синхронный двигатель
Еще одна забавная машинка, работающая на вращающемся поле. Вспомним картинку вращающегося поля и сунем в ее чрево постоянный магнит.

Опа, магнит вращается синхронно полю. Механическую характеристику этого безобразия я даже не буду рисовать. Она скучна как пульс у трупа. Скорость жестко завязана на скорость поля и не зависит от момента, совсем. Абсолютно жесткая механическая характеристика.

Разумеется это не навсегда, если момент будет сильней поля, то он может оторвать его от поля, движок выпадет из синхронизма и настанет жопа — сам он в синхронный режим уже не вернется. Тут ситуация еще хуже чем с асинхронным двигателем. Синхронный двигатель даже нормально запуститься не сможет. Т.е. если его воткнуть в сеть то фиг он куда поедет, будет стоять и беспомощно дрыгаться. Вот такая, херня, малята.

Дети, давайте поможем дедушке двигателю стартануть! Что надо сделать? Правильно, Петя, надо подружить его с асинхронным двигателем — сунуть ему в нутро до кучи еще и беличью клетку. Это будет пусковая обмотка. Она рванет движок со старта, доведет его до подсинхронной частоты, а там он втянется в синхронизм как удав в пылесос. Правда момент такого пуска слабоват, но хоть что то. Но такие проблемы это геморрой еще прошлого века.

Сейчас есть новые, усовершенствованные методы старта синхронного двигателя. Потому, что у нас прогресс, модернизация в стране и нанотехнологии. В первую очередь я имею ввиду частотный пуск. Т.е. когда при старте поле статора не рвет с нуля на номинальные обороты, а нежно хватает движок за торчащие из ротора яй… эээ силовые линии магнитного поля и начинает плавно разгонять пока не выведет в номинал. Еще в начале может быть ориентирующий рывок, когда напряжение подается статично, на одну из фаз, чтобы придать ротору какой-то определенный ориентир, а дальше уже разгон.

Наиболее наглядно это можно увидеть на приводе шпинделя жесткого диска. Если у вас есть убитый жесткач, то разберите его и подайте питание на плату. Увидите, как движок плавно стартанет, но если его затормозить, то он встанет и будет лишь вяло вяло крутиться — выпал из синхронизма. Если сможете разогнать его до 7200 оборотов, то он втянется, и будет дальше вращаться как ни в чем не бывало.

Устранение этого недостатка может быть только одно — контроль положения ротора, т.е. система управления зорко глядит на то куда повернут ротор и не дает полю его упустить. Если движок нагружается, поле притормаживает, следуя за ротором так, чтобы получить наибольший момент. Способов следить много. Это и сельсины и датчики холла и энкодеры и оптика всякая. Есть еще и извращенские способы по замеру индукции на обмотке, что часто практикуется в модельных инверторах. И со всей этой тряхомудией это уже получается самый настоящий BLDC о которых я тоже когда-нибудь расскажу. Через пару лет, ага. Бугагага!

Регулирование синхронного двигателя сходно с асинхронным. Те же приколы связи частоты, потока и напряжения. Т.к. статор там точно такой же. Разве что скольжения нет, но есть критический момент, а он завязан на поток.

45 thoughts on “Двигатели переменного тока. Принцип работы, характеристики и управление”

Классная статья:) Впрочем как и все остальные. Почаще бы, а то SPI интерфейс и работу с SD картами (FAT32/16) Вы еще не разбирали, а хотелось бы:) И желательно на asm’е XD