Электродвигатели переменного тока: схема. Электродвигатели постоянного и переменного тока

В статье вы узнаете, что такое электродвигатели переменного тока, рассмотрите их устройство, принцип действия, область применения. Стоит отметить, что сегодня в промышленности более 95 процентов всех используемых двигателей приходится на асинхронные машины. Они получили большое распространение в связи с тем, что у них высокая надежность, они могут служить очень долго за счёт своей ремонтопригодности.

Принцип работы асинхронных двигателей

Чтобы понять, как функционирует электродвигатель, можно провести небольшой эксперимент. Конечно, для этого потребуется наличие специального инструмента. Установите магнит в форме подковы так, чтобы он приводился в движение при помощи ручки. Как вы знаете, у магнита имеется два полюса. Между ними необходимо расположить цилиндр, изготовленный из меди. С таким расчетом, что он может свободно вокруг своей оси вращаться. Теперь сам эксперимент. Начинаете раскручивать магнит, при этом создается поле, которое двигается. Внутри медного цилиндра начинают возникать вихревые токи, которые противодействуют полю магнита.

В результате этого медный цилиндр начинает вращение в ту сторону, в которую двигается постоянный магнит. Причем его скорость оказывается несколько ниже. Причина этого — при равной скорости силовые линии перестают пересекаться с полем магнита. Магнитное поле вращается синхронно. А вот скорость движения самого магнита несинхронна. А если немножко сократить определение, то асинхронна. Отсюда и название электрической машины — асинхронного электродвигателя. Если грубо, то схема электродвигателя переменного тока примерно такая же, как и в приведенном эксперименте. Только магнитное поле создается статорной обмоткой.

Двигатели постоянного тока

Они несколько отличаются от асинхронных электродвигателей переменного тока. Во-первых, в нём имеется одна или две статорных обмотки. Во-вторых, способ изменения частоты вращения ротора несколько иной. Но направление вращения ротора изменяется переполюсовкой (у асинхронных машин меняются местами фазы питающей сети). Изменить скорость ротора двигателя постоянного тока можно, если увеличить или уменьшить напряжение, подаваемое на статорную обмотку.

Двигатель постоянного тока не может работать без обмотки возбуждения, которая находится на роторе. Передача напряжения происходит при помощи щеточного узла. Это самый ненадежный элемент конструкции. Щетки, изготовленные из графита, со временем стираются, что приводит к выходу из строя мотора, ему необходим ремонт. Заметьте, что электродвигатели постоянного и переменного тока имеют одни и те же элементы, но их конструкции отличаются существенно.

Конструкция электродвигателя

Как и любая другая нестатическая электрическая машина, асинхронный двигатель состоит из двух основных частей — статора и ротора. Первый элемент неподвижный, на нём размещаются три обмотки, которые соединяются по определенной схеме. Ротор является подвижным, его конструкция называется «беличьей клеткой». Причина такого названия в том, что внутреннее устройство очень похоже на колесо с белкой.

Последней, конечно же, нет в электродвигателе. Центровка ротора производится при помощи двух крышек, устанавливаемых на статоре. В них имеются подшипники, которые облегчают вращение. На задней части электродвигателя устанавливается крыльчатка. С ее помощью проводится охлаждение электрической машины. На статоре сделаны ребра, которые улучшают теплоотдачу. Таким образом электродвигатели переменного тока работают в нормальном тепловом режиме.

Статор асинхронного двигателя

Стоит отметить, что у статора современных асинхронных электродвигателей полюсы невыраженные. Если говорить проще, то внутри вся поверхность идеально гладкая. В целях уменьшения потерь на вихревых токах, сердечник набирается из очень тонких листов стали. Эти листы очень плотно прилегают друг другу и впоследствии закрепляются в корпусе из стали. Статор имеет пазы для закладывания обмоток.

Обмотки изготовлены из медного провода. Соединение их производится в «звезду» или «треугольник». В верхней части корпуса имеется небольшой щиток, полностью заизолированный. В нем находятся контакты для подключения и соединения обмоток. Причем соединить обмотки можно при помощи перемычек, устанавливаемых в этом щитке. Устройство электродвигателя переменного тока позволяет быстро провести соединение обмоток в нужную схему.

Ротор асинхронного электродвигателя

О нем было уже немного сказано. Он похож на беличью клетку. Конструкция ротора собирается из тонких стальных листов, как и статора. В пазах ротора находится обмотка, но она может быть нескольких типов. Все зависит от того, фазный или короткозамкнутый ротор. Наиболее распространенные последние конструкции. Толстые медные стержни укладываются в пазы без изоляционного материала. С обоих концов эти стержни соединяются медными кольцами. Иногда вместо «беличьей клетки» применяются литые роторы.

Но есть еще электродвигатели переменного тока с фазным ротором. Они используются намного реже, в основном для электродвигателей, у которых очень большая мощность. Второй случай, при котором необходимо использовать фазные роторы в электродвигателях — создание большого усилия в момент запуска. Правда, для этого необходимо использовать специальный реостат.

Способы запуска асинхронного электродвигателя

Запустить асинхронный электродвигатель переменного тока несложно, достаточно только подключить статорные обмотки в трехфазную сеть. Производится подключение при помощи магнитных пускателей. Благодаря им можно практически автоматизировать запуск. Даже реверс сделать можно без особых трудностей. Но в некоторых случаях необходимо снижать напряжение, которое подводится к статорным обмоткам.

Производится это благодаря использованию схемы подключения типа «треугольник». При этом запуск производится, когда обмотки соединены по схеме «звезда». При увеличении числа оборотов, достижении максимального значения обмотки необходимо переключить на схему «треугольник». При этом происходит уменьшение потребляемого тока примерно в три раза. Но необходимо учитывать, что не каждый статор может нормально функционировать при подключении по схеме «треугольник».

Регулирование частоты вращения

В промышленности и быту все большую популярность приобретают частотные преобразователи. С их помощью можно легким движением руки изменить скорость вращения ротора. Стоит заметить, что электродвигатели переменного тока используются совместно с частотными преобразователями в большинстве механизмов. Он позволяет осуществить тонкую настройку привода, при этом нет необходимости использовать магнитные пускатели. Все органы управления подключаются к контактам на частотном преобразователе. Настройки позволяют изменять время разгона ротора электродвигателя, его остановки, время минимальной и максимальной скорости, а также множество других защитных функций.

Заключение

Теперь вы знаете, как происходит работа электродвигателя переменного тока. Даже изучили конструкцию наиболее популярного асинхронного двигателя. Он является самым дешевым из всех, которые представлены на рынке. Кроме того, для его нормального функционирования нет необходимости использовать различные вспомогательные устройства. В частности, реостаты. И только такое дополнение, как частотный преобразователь, способно облегчить эксплуатацию асинхронного электродвигателя, существенно расширить его возможности.

Трехфазный асинхронный двигатель

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

• где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f₁ – частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂ Трехфазный ток (разница фаз 120°)

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» 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

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же U_л=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз U_ф=U_л=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

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

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	0
Соединение треугольником (число выводов 3)
первый вывод	C1
второй вывод	C2
третий вывод	C3

Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети

Схемы приведенные на рисунке «а», «б», «д» применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам «а», «б», «г» практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.

Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем «в», «д», «е» примерно рассчитывается соответственно по формулам:

• ,где C_раб — емкость рабочего конденсатора, мкФ,
• I_ном – номинальный (фазный) ток статора трехфазного двигателя, А,
• U₁ – напряжение однофазной сети, В.

Управление асинхронным двигателем

Способы подключения асинхронного электродвигателя к сети питания:
• прямое подключение к сети питания
• подключение от устройства плавного пуска
• подключение от преобразователя частоты

Варианты подключения асинхронного электродвигателя с помощью магнитного пускателя (слева), устройства плавного пуска (посеридине) и частотного преобразователя (справа). Схемы представлены в упрощенном виде.
FU1-FU9 — плавкие предохранители, KK1 — тепловое реле, KM1 — магнитный пускатель, L1-L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, M1-M3 — асинхронные электродвигатели, QF1-QF3 — автоматические выключатели, UZ1 — устройство плавного пуска, UZ2 — преобразователь частоты

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

• нереверсивного пуска: пуск и остановка;
• реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Реверсивная схема

Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

Использование частотного преобразователя позволяет:
• уменьшить энергопротребление электродвигателя;
• управлять скоростью вращения электродвигателя (плавный запуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
• избежать перегрузок электродвигателя и тем самым увеличить его срок службы.

Функциональная схема частотно-регулируемого привода

В зависимости от функционала частотные преобразователи реализуют следующие методы регулирования асинхронным электродвигателем:
• скалярное управление;
• векторное управление.

Скалярное управление является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки — медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

По способу получения информации о положении потокосцепления ротора электродвигателя выделяют:
• полеориентированное управление по датчику;
• полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, которая имеется в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество пар полюсов двигателя).

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем без датчика положения ротора

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором

До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.

Конструкция АДФР

Фазный ротор

Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Фазный ротор

Статор АДФР

Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
	Начало	Конец
Открытая схема (число выводов 6)
первая фаза	K1	K2
вторая фаза	L1	L2
третья фаза	M1	M2
Соединение в звезду (число выводов 3 или 4)
первая фаза	K
вторая фаза	L
третья фаза	M
точка звезды (нулевая точка)	Q
Соединение в треугольник (число выводов 3)
первый вывод	K
второй вывод	L
третий вывод	M

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
Соединение звездой (число выводов 3 или 4)
первая фаза	Р1
вторая фаза	Р2
третья фаза	Р3
нулевая точка	0
Соединение треугольником (число выводов 3)
первый вывод	Р1
второй вывод	Р2
третий вывод	Р3

Пуск АДФР

Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.

Применяются проволочные и жидкостные реостаты.

Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.

Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов [3].

Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.