Каков принцип действия трехфазного асинхронного двигателя?

Асинхронный двигатель — принцип работы и устройство

8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение. Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности.

Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.

Асинхронный двигательэто асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Устройство

На рисунке: 1 — вал, 2,6 — подшипники, 3,8 — подшипниковые щиты, 4 — лапы, 5 — кожух вентилятора, 7 — крыльчатка вентилятора, 9 — короткозамкнутый ротор, 10 — статор, 11 — коробка выводов.

Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется «беличьей клеткой«. В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов. Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье — асинхронный двигатель с фазным ротором.

Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.

Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.

Скольжение s — это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n1 магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n2, в процентном соотношении.

Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n2 ротора относительная разность частот n1-n2 становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины sкр — критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме — 1 — 8 %.

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.

Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Наука в области электричества в XIX и XX веках стремительно развивалась, что привело к созданию электрических асинхронных двигателей. С помощью таких устройств развитие промышленной индустрии шагнуло далеко вперед и теперь невозможно представить заводы и фабрики без силовых машин с использованием асинхронных электродвигателей.

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в этом же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы асинхронной машины.

В 1889 году российский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на асинхронный трехфазный электрический двигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что в промышленность стали массово применяться электрические машины, которые значительно ускорили все технологические процессы на производстве, повысили эффективность работы и снизили её трудоемкость.

В настоящий момент самый распространенный электродвигатель, эксплуатируемый в промышленности, является прототипом электрической машины, созданной Доливо-Добровольским.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Главными компонентами асинхронного электродвигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Активную работу в двигателе выполняют обмотки и сердечник ротора.

Под асинхронностью двигателя понимают отличие частоты вращения ротора от частоты вращения электромагнитного поля.

Статор – это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполняется из электротехнической стали и монтируется в станину. Станина выполняется литым способом из материала, который не магнитится (чугун, алюминий). Обмотки статора являются трехфазной системой, в которой провода уложены в пазы с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток стандартно подключают к сети по схемам «звезда» или «треугольник».

Ротор – это подвижная часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух видов: с короткозамкнутым и фазным роторами. Данные виды отличаются между собой конструкциями обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Такой тип электрической машины был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе называется «беличье колесо» из-за внешнего вида конструкции. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из накоротко замкнутых с помощью колец стержней из меди (алюминия, латуни) и вставленные в пазы обмотки сердечника ротора. Такой тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны при эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазный ротор представляет собой трехфазную обмотку, которая соединяется по схемам «звезда» или треугольник. В таких электродвигателях в конструкции имеются специальные щетки, с помощью которых можно регулировать скорость движения ротора. Если в механизм такого двигателя добавить специальный реостат, то при пуске двигателя уменьшится активное сопротивление и тем самым уменьшатся пусковые токи, которые пагубно влияют на электрическую сеть и само устройство.

Принцип действия

При подаче электрического тока на обмотки статора возникает магнитный поток. Так как фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, то из-за этого поток в обмотках вращается. Если ротор короткозамкнутый, то при таком вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Взаимодействуя друг с другом, магнитные поля ротора и статора заставляют ротор электродвигателя вращаться. В случае, если ротор фазный, то напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска 1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления 2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется 3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени 4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации 5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия

Недостатки асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Не регулируется скорость вращения ротора 1. Большие габариты
2. Маленький пусковой момент 2. Коэффициент полезного действия ниже
3. Высокий пусковой ток 3. Частое обслуживание из-за износа щеток
4. Некоторая сложность конструкции и наличие движущихся контактов

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Режимы работы

Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:

  • Продолжительный;
  • Кратковременный;
  • Периодический;
  • Повторно-кратковременный;
  • Особый.

Продолжительный режим — основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.

Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.

Читайте также  Что такое форкамера в дизельном двигателе?

Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.

Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.

Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.

Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.

Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.

Ответы на экзаменационные билеты

Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

  • Печать
  • E-mail

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, называются электродвигателями переменного тока.

В промышленности наибольшее распространение получили асинхронные двигатели трехфазного тока.Рассмотрим устройство и принцип действия этих двигателей.
Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.
Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.
Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.

Рисунок 1. Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля
Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное магнитное поле — поле цилиндра. Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.
Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита.
Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.
Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра — асинхронной (несинхронной). Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемуюскольжением.
Обозначив скорость вращения ротора через n1 и скорость вращения поля через n мы можем подсчитать величину скольжения в процентах по формуле:
s = (n — n1) / n.
В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем. Надо заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще разрешил М. О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.
Устройство асинхронного электродвигателя М. О. Доливо-Добровольского

Рисунок 2. Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского
На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя, помещены три обмотки, сети трехфазного тока 0 расположенные одна относительно другой под углом 120°.
Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя.
Если обмотки соединить между собой так, как показано на рисунке, и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся.
На рисунке 3 показан график изменения токов в обмотках двигателя и процесс возникновения вращающегося магнитного поля.
Рассмотрим — подробнее этот процесс.

Рисунок 3. Получение вращающегося магнитного поля
В положении «А» на графике ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе он отрицателен, а в третьей положителен. Ток по катушкам полюсов потечет в направлении, указанном на рисунке стрелками.
Определив по правилу правой руки направление созданного током магнитного потока, мы убедимся, что на внутреннем конце полюса (обращенном к ротору) третьей катушки будет создан южный полюс (Ю), а на полюсе второй катушки — северный полюс (С). Суммарный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.
В положении «Б» на графике ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе он положителен, а в третьей отрицателен. Ток, протекая по катушкам полюсов, создает на конце первой катушки южный полюс (Ю), на конце третьей катушки северный полюс (С). Суммарный магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т. е. полюсы при этом переместятся на 120°.
В положении «В» на графике ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе он положителен, а в первой отрицателен. Теперь ток, протекая по первой и второй катушкам, создаст на конце полюса первой катушки — северный полюс (С), а на конце полюса второй катушки — южный полюс (Ю), т. е. полярность суммарного магнитного поля переместится еще на 120°. В положении «Г» на графике магнитное поле переместится еще на 120°.
Таким образом, суммарный магнитный поток будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов).
При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим таким образом асинхронный электродвигатель.
Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником».
Если мы поменяем местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное.
Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора.
Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.
Мы рассмотрели устройство асинхронного двигателя, имеющего на статоре три обмотки. В этом случае вращающееся магнитное поле двухполюсное и число его оборотов в одну секунду равно числу периодов изменения тока в одну секунду.
Если на статоре разместить по окружности шесть обмоток, то будет создано четырехполюсное вращающееся магнитное поле. При девяти обмотках поле будет шестиполюсным.
При частоте трехфазного тока f, равной 50 периодам в секунду, или 3000 в минуту, число оборотов n вращающегося поля в минуту будет:
при двухполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 1 = 3000 об/мин,
при четырехполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 2 = 1500 об/мин,
при шестиполюсном статоре n = (50 х 60 ) / 3 = 1000 об/мин,
при числе пар полюсов статора, равном p: n = (f х 60 ) / p,
Итак, мы установили скорость вращения магнитного поля и зависимость ее от числа обмоток на статоре двигателя.

Ротор же двигателя будет, как нам известно, несколько отставать в своем вращении.
Однако отставание ротора очень небольшое. Так, например, при холостом ходе двигателя разность скоростей составляет всего 3%, а при нагрузке 5 — 7%. Следовательно, обороты асинхронного двигателя при изменении нагрузки изменяются в очень небольших пределах, что является одним из его достоинств.

Рассмотрим теперь устройство асинхронных электродвигателей
Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой.
Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе.
В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.
Ротор асинхронного двигателя, подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка.
В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.
Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.
В некоторых двигателях «беличью клетку» заменяют литым ротором.

Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.
Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:
1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный.
2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора. Напряжение снижают, например, переключая обмотки статора со «звезды» на «треугольник».
Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».
Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».
Наиболее простым, дешевым и надежным является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, но этот двигатель обладает некоторыми недостатками — малым усилием при трогании с места и большим пусковым током. Эти недостатки в значительной мере устраняются применением фазного ротора, но применение такого ротора значительно удорожает двигатель и требует пускового реостата.

Читайте также  Ниссан ноте какое масло в двигатель?

Принцип действия
Принцип действия асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии индуктированного тока ротора с магнитным потоком статора. При включении обмотки трехфазного двигателя под напряжение источника трехфазного переменного тока внутри расточки статора образуется вращающееся магнитное поле, частота вращения которого равна
n1 = 60fp ,
где n1 — частота вращения магнитного поля, об/мин; f — частота тока, Гц; p — число пар магнитных полюсов двигателя.
Силовые линии вращающегося магнитного поля пересекают стержни короткозамкнутой обмотки ротора, и в них индуктируется ЭДС, которая вызывает появление тока и магнитного потока в роторе двигателя.
Взаимодействие магнитного поля статора с магнитным потоком ротора создает механический вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться. Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного поля. Поэтому двигатель называется асинхронным.
Величина, характеризующая отставание ротора от магнитного поля в относительных единицах, называется скольжением, подсчитывают ее по формуле
S = (n1−n2)/n1,
где S — скольжение (относительная угловая скорость); n1 — частота вращения магнитного поля, об/мин; n2 — номинальная частота вращения ротора, об/мин.
Для включения двигателя в сеть его статорные обмотки должны быть соединены в «звезду» или «треугольник».
Рис. 4 Схемы соединения:
а — треугольник, б — звезда.

Для включения двигателя по схеме «треугольник» нужно начало первой обмотки соединить с концом второй, начало второй обмотки — с концом третьей и начало третьей — с концом первой. Места соединения обмоток подключают к трем фазам сети (рис. 4, а).
Чтобы двигатель включить в сеть по схеме «звезда», нужно все концы обмоток соединить электрически в одну точку, а все начала обмоток присоединить к фазам сети (рис. 4, б).
Схемы включения всегда приводятся на обратной стороне крышки, закрывающей коробку выводов электродвигателя.
Для изменения направления вращения трехфазного асинхронного электродвигателя достаточно поменять местами две любых фазы сети независимо от схемы включения электродвигателя. Для быстрого изменения направления вращения двигателя применяют реверсивные рубильники, пакетные выключатели или реверсивные магнитные пускатели.
Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором наряду с простотой конструкции, высокой надежностью в работе, долговечностью, низкой стоимостью и универсальностью, обладает одним существенным недостатком: при его пуске возникает пусковой ток, значение которого в 5-7 раз больше номинального. Большой пусковой ток, на который электрическая сеть обычно не рассчитана, вызывает значительное снижение напряжения, что, в свою очередь, отрицательно влияет на устойчивую работу соседних электроприемников.
Чтобы уменьшить пусковые токи трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей больших мощностей, их включают с помощью переключателя схем со «звезды» на «треугольник». При этом сначала обмотки двигателя соединяются по схеме «звезда», потом, после того как ротор двигателя наберет номинальную частоту вращения, его обмотки переключаются в схему «треугольник».
Снижение пускового тока двигателя при переключении его обмоток со звезды на треугольник происходит потому, что вместо предназначенной для данного напряжения сети схемы «треугольник» каждая обмотка двигателя включается на напряжение в √3 раз меньшее, а потребляемый ток снижается в три раза. Снижается также в три раза и мощность, развиваемая электродвигателем при пуске. Поэтому изложенный способ снижения пускового тока можно использовать лишь при нагрузке не более 1/3 номинальной.

Устройство и принцип работы трехфазных электродвигателей

В данной статье рассмотрены следующие вопросы:

  1. Устройство трехфазного электродвигателя.
  2. Принцип работы трехфазного электродвигателя.
  1. Устройство электродвигателя 380 В

    Наибольшее распространение в промышленности, сельском хозяйстве и быту среди трехфазных электродвигателей получили асинхронные электродвигателя с короткозамкнутым ротором благодаря их простоте устройства, надежности и дешевизне. Поэтому на примере именно такого электродвигателя мы и будем рассматривать их устройство и принцип работы.

    Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора.

    Статор — неподвижная часть электродвигателя. Он состоит из следующих элементов:

    • станина (корпус) которая, как правило, выполняется ребристой для лучшего охлаждения, т.к. в процессе работы сердечник статора с обмотками нагреваются. Так же станина имеет лапы для крепления электродвигателя.
    • сердечник статора — набирается из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко) и имеет зубчатую форму (пазы) и имеет следующий вид:

    • обмотки статора — выполняются медными проводами которые укладываются в пазы сердечника, концы обмоток для подключения к электрической сети выводятся в клемную коробку.

    Ротор — вращающаяся часть электродвигателя. Ротор состоит из следующих элементов:

    • вал — выполняется из стали служит для передачи механической энергии на рабочий механизм.
    • сердечник ротора — насаживается на вал, так же как и сердечник статора выполняется из отдельных листов электротехнической стали
    • обмотка ротора — как правило имеет короткозамкнутое исполнение, часто короткозамкнутую обмотку ротора называют «беличьим колесом» из-за внешнего сходства. Короткозамкнутая обмотка ротора имеет следующий вид:

    Ротор удерживается в центре статора подшипниковыми щитами.

    Принцип работы трехфазного электродвигателя

    Принцип работы электродвигателя довольно прост и основан на принципе вращающегося электромагнитного поля.

    На рисунке выше представлен медный диск прикрепленный к валу на подшипнике напротив которого расположен постоянный магнит. Если начать вращать постоянный магнит то его магнитное поле пересекающее медный диск начнет так же вращаться, т.е. создастся вращающееся магнитное поле которое согласно закону электромагнитной индукции создают в медном диске токи индукции. Данные токи, протекая по диску, создают собственное электромагнитное поле, которое, в свою очередь, вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к вращению диска.

    Таким же образом работает и трехфазный электродвигатель, однако в нем вращающееся магнитное поле создается с помощью специального расположения обмоток статора, которые смещены в пространстве относительно друг друга на 120 о , такое расположение при протекании по ним трехфазного тока приводит к возникновению вращающегося электромагнитного поля.

    Видео воздействия вращающегося электромагнитного поля статора на металлический контур (в качестве контура в данном случае выступает обычное лезвие):

    Вращающееся магнитное поле статора воздействуя на обмотку ротора приводит к возникновению в ней индукционных токов, которые протекая через обмотку ротора создают собственное электромагнитное поле, взаимодействие этих полейприводит ротор во вращение.

    Так же как и магнит статор электродвигателя имеет полюса, однако в отличие от постоянного магнита полюсов в электродвигателе может быть больше двух, при этом их всегда четное количество. Количество полюсов в статоре напрямую влияет на скорость вращения магнитного поля и соответственно на скорость вращения ротора. Частота вращения магнитного поля (синхронная частота) определяется по формуле:

    n=60*f/p

    где: f — частота тока в станах СНГ частота тока составляет 50 Гц (Герц); p — количество пар полюсов.

    Чем больше полюсов у двигателя тем меньше частота его вращения. Например, расчитаем частоту вращения электродвигателя с четырьмя полюсами:

    Четыре полюса — это 2 пары полюсов, соответственно:

    Т.е. синхронная частота вращения магнитного поля статора 1500 об/мин, при этом частота вращения ротора при этом будет немного меньше может составлять 1400-1450 об/мин.

    Относительная величина отставания вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора называется скольжением, она выражается в процентах и определяется по формуле:

    S=(n1-n2)/n1*100%

    где: n1 — синхронная частота вращения, об/мин; n2 — частота вращения ротора (асинхронная частота вращения), об/мин.

    Видео с описанием устройства и принципа действия трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

    Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

    Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

    ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

    Трехфазные асинхронные электродвигатели выпускают с короткозамкнутыми и фазными роторами.

    Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором состоит из корпуса 7, неподвижного статора 6, вращающегося ротора 5 и двух подшипниковых щитов 4 с подшипниками качения, расположенными в центре щитов (рис. 5.1).

    Конструкция статора. Сердечник статора набран из штампованных листов электротехнической стали 1 толщиной 0,3 или 0,5 мм (рис. 5.2, а). Листы изолированы один от другого лаком для уменьшения потерь от вихревых токов. На внутренней поверхности статора имеются открытые пазы 2 для укладки в них трехфазной обмотки, выполненной из изолированного провода. Оси фаз обмотки расположены симметрично (под углом 120°) одна к другой. Секции проводов, заложенных в пазы для предотвращения выпадания, фиксированы деревянными или пластмассовыми клиньями.

    На выводах фазы обмотки имеют следующую маркировку: начало и конец первой фазы С1 и С4, начало и конец второй — С2 и С5 и начало и конец третьей — СЗ и 05.

    Конструкция короткозамкнутого ротора. Ротор электродвигателя состоит из вала, опирающегося на подшипники, сердечника и обмотки. Сердечник ротора набран из штампованных листов элект-

    Рис. 5.1. Устройство трехфазного электродвигателя:

    7 —вал ротора; 2—крышка подшипника; 3— подшипник; 4— подшипниковый шит; 5 — пакет стали ротора; 6 — сердечник статора; 7—корпус; 8— обмотка; 9— кожух вентилятора; 10— вентилятор; 11 — коробка выводов

    Рис. 5.2. Элементы конструкции трехфазного электродвигателя:

    о — лист и сердечник статора; б— короткозамкнутая обмотка ротора

    ротехнической стали. На внешней поверхности сердечника имеются пазы, в которые залит расплавленный алюминий. В результате получается короткозамкнутая обмотка ротора, напоминающая беличье колесо (рис. 5.2, б).

    Принцип действия асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии индуктированного тока ротора с вращающимся магнитным полем статора. При подключении обмотки трехфазного электродвигателя к источнику трехфазного переменного тока в зазоре между статором и ротором образуется вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

    где Яц.п — частота вращения магнитного поля, мин -1 ; /—частота тока, Гц; р — число пар магнитных полюсов на одну фазу.

    Силовые линии вращающегося магнитного поля пересекают стержни короткозамкнутой обмотки ротора, и в них индуктируется ЭДС, которая вызывает появление тока и магнитного потока в роторе двигателя.

    Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с током ротора создает механический вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться. Частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статора, поэтому электродвигатель называют асинхронным. Величину, характеризующую отставание ротора от магнитного поля в относительных единицах, называют скольжением s (%) и определяют по формуле

    где лн — номинальная частота вращения ротора, мин -1 .

    Рис. 5.3. Схемы включения трехфазного электродвигателя в сеть: а — фазы соединены звездой; б — фазы соединены треугольником

    С увеличением нагрузки на валу электродвигателя скольжение возрастает, а частота вращения падает.

    Выбор схемы соединения фаз электродвигателя. Для включения электродвигателя в сеть его статорная обмотка должна быть соединена звездой или треугольником.

    Чтобы электродвигатель включить в сеть по схеме «звезда», нужно все концы фаз (С4, С5, С6) соединить электрически в одну точку, а все начала фаз (С/, С2, СЗ) присоединить к фазам сети (рис. 5.3, а).

    Для включения электродвигателя по схеме«треугольник» начало первой фазы соединяют с концом второй и начало второй — с концом третьей, а начало третьей —с концом первой. Места соединений обмоток подключают к трем фазам сети (рис. 5.3, б).

    Для выбора схемы соединения фаз трехфазного электродвигателя используют данные таблицы 5.1.

    5.1. Выбор схемы соединения обмоток

    Напряжение электрического двигателя, В

    Напряжение сети, В

    Неправильный выбор схемы соединения обмоток электродвигателя может привести к выходу его из строя во время работы.

    Для изменения направления вращения электродвигателя достаточно поменять местами две любые фазы сети независимо от схемы его включения (рис. 5.4). Для изменения направления вращения двигателя применяют реверсивные рубильники, реверсивные магнитные пускатели и переключатели.

    Технические данные электродвигателя. На корпусе каждого трехфазного электродвигателя помещен технический паспорт в виде металлической пластинки. В паспорте трехфазного асинхронного электродвигателя приведены его основные технические данные: тип электродвигателя, заводской номер, номинальное напряжение, мощность, частота вращения, коэффициент полезного действия, масса и др.

    Рис. 5.4. Схема включения трехфазного электродвигателя в сеть реверсивным рубильником

    Используя значения номинальной мощности и КПД, можно определить мощность, потребляемую электродвигателем из сети при номинальной нагрузке, по формуле

    Рис. 5.5. Схема включения трехфазного электродвигателя в сеть при помощи переключателя фаз со звезды на треугольник

    Преимущества и недостатки. Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором наряду с простотой конструкции, высокой надежностью в работе, долговечностью, низкой стоимостью и универсальностью обладает существенным недостатком: при его пуске возникает пусковой ток, значение которого в 5. 7 раз больше номинального. Большой пусковой ток, на который электрическая сеть обычно не рассчитана, вызывает значительное снижение напряжения, что, в свою очередь, отрицательно влияет на устойчивую работу соседних электроприемников.

    Способы снижения пускового тока.

    Чтобы уменьшить пусковой ток трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя большой мощности, его включают при помощи переключателя схем со звезды на треугольник (рис. 5.5). При этом сначала обмотки электродвигателя соединяют по схеме «звезда» (при нижнем положении ножей переключателя), потом, когда ротор двигателя наберет номинальную частоту вращения, его обРис. 5.6. Схема включения в сеть трехфазного электродвигателя с фазным ротором:

    М — электродвигатель; QF — автоматический выключатель; R— пусковой реостат

    мотки переключают в схему «треугольник» (верхнее положение ножей переключателя). При среднем положении ножей переключателя двигатель отключен от сети.

    Снижение пускового тока при переключении его обмоток со звезды на треугольник происходит потому, что вместо предназначенной для данного напряжения сети схемы «треугольник» каждая обмотка двигателя включается на напряжение в V3 раза меньше, чем при этом потребляемый ток снижается в 3 раза. Снижается также в 3 раза и мощность, развиваемая электродвигателем при пуске. Поэтому изложенный способ снижения пускового тока двигателя может применяться лишь при нагрузке не более 1/3 от номинальной.

    Для уменьшения пусковых токов применяют также электродвигатели с фазным ротором (рис. 5.6). Статорная обмотка этого электродвигателя устроена так же, как и статорная обмотка короткозамкнутого электродвигателя. Она может быть соединена звездой или треугольником в зависимости от напряжения сети. Основное отличие такого двигателя от короткозамкнутого заключается в устройстве ротора, который имеет трехфазную обмотку, выполненную изолированным проводом. Фазы ротора соединены звездой. Выводы фазной обмотки соединены с контактными кольцами, расположенными на валу двигателя. По кольцам скользят медно-графитовые щетки. К щеткам подключен трехфазный пусковой реостат.

    Перед включением электродвигателя в сеть реостат должен быть полностью включен. Общее сопротивление цепи обмотки и реостата в результате этого увеличивается. При включении в сеть двигателя с реостатом ток, потребляемый из сети, будет меньше чем при включении этого же двигателя без реостата. После того как ротор двигателя начинает вращаться, реостат полностью выводят и обмотку ротора соединяют накоротко.

    Преимущество двигателей с фазным ротором по сравнению с другими электродвигателями заключается в том, что их пусковые токи не превышают 1,2—2,5 номинального, а частота вращения при пуске увеличивается плавно. Недостаток их состоит в том, что они дороже и требуют более квалифицированного персонала.

    Способы разметки выводов обмоток. В практике встречаются трехфазные электродвигатели, у которых отсутствует разметка выводов обмоток, то есть утеряны бирки с обозначениями начал и

    Рис. 5.7. Схема определения выводов, попарно принадлежащих фазам статора трехфазного электродвигателя:

    концов обмоток. Поэтому начала и концы статорных обмоток таких электродвигателей определяют либо способом трансформации, либо путем подбора, что весьма трудоемко, так как при этом требуется выполнить несколько переключений обмоток.

    М — электродвигатель; HL — контрольная лампа; FU — плавкие предохранители; SA — выключатель

    Существует более простой способ разметки статорных обмоток — способ открытого треугольника, заключающийся в следующем. Сначала, пользуясь контрольной лампой HL, определяют выводы, принадлежащие каждой обмотке (рис. 5.7). Затем все обмотки соединяют последовательно в открытый треугольник и включают их в сеть. Параллельно каждой обмотке включают вольтметр PV (рис. 5.8). При согласном включении обмоток, то есть начало—конец—начало—конец—начало—конец, вольтметры покажут одинаковые напряжения на всех обмотках. При встречном включении одной из обмоток вольтметр, подключенный к ней, покажет наибольшее напряжение. На основании показаний вольтметров можно сразу произвести разметку выводов обмоток электродвигателя.

    Типы трех разных асинхронных двигателей. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором, начиная с 1950 г., разрабатывались и выпускались в нашей стране в виде единых серий: А-АО, А2-А02, А-АК, А2-АК22, АЗ-АОЗ, 4А и АН (АИР), которые работают на многих сельскохозяйственных предприятиях и в настоящее время.

    Рис. 5.8. Схема включения В последние годы в России освоен выводов обмотки трехфазного выпуск новых серий асинхронных электродвигателя и вольтмет- двигателей РА (0,37. 1000 кВт), 5А ров при определении начал

    или „ Vа и концов фаз обмоток (0,37. 400 кВт) И 6А.

    Асинхронные двигатели различают:

    по степени защиты (например, IP23, IP44: IP означает International Protection, 23 — защищенное, 44 —закрытое исполнение);

    по способу охлаждения (например, IC01, IC0141: 1C — International Cooling, 01 — машина с самовентиляцией; IC0141 — машина, обдуваемая наружным вентилятором, расположенным на ее валу);

    по способу монтажа (например, IM1001: Ш — International Mounting; IM1001 — машина на лапах, с двумя подшипниковыми щитами, с горизонтальным расположением вала, с цилиндрическим концом);

    по климатическим условиям эксплуатации: используют следующие обозначения климатического исполнения двигателей, эксплуатируемых на суше, реках, озерах, для климатических районов: с умеренным климатом — У; с холодным климатом — ХЛ; с влажным тропическим — ТВ; с сухим тропическим — ТС; с сухим влажным — Т; общеклиматическое исполнение — О).

    Примеры обозначения асинхронных двигателей: 5А250М-4 — асинхронный двигатель 5-й серии; 250 — высота оси вращения, мм; М — средняя длина корпуса по установочным размерам; 4 — число полюсов (частота вращения 1500 мин -1 ).

    AHP132S6 — асинхронный двигатель Интерэлектро; Р —вариант увязки мощностей и установочных размеров; 132 — высота оси вращения; S — малая длина корпуса по установочным размерам; 6 — число полюсов (частота вращения 1000 мин -1 ).

    4АН200Ь4УЗ — асинхронный двигатель 4-й серии; закрытый обдуваемый; Н — защищенного исполнения; 200 — высота оси вращения; L —большая длина корпуса по установочным размерам; 4 — число полюсов; У — для районов с умеренным климатом: категория размещения.