Трифазні електродвигуни Принцип дії. Трифазний асинхронний двигун

Те, що асинхронні двигуни сьогодні використовуються у всіх галузях промисловості і сільського господарства, Необхідно поклонитися російському інженеру М.О. Доливо-Добровольскому. Саме він в 1889 році (а точніше 8 березня) винайшов трифазний асинхронний двигун, Який перетворює електроенергію в енергію механічну (обертання). Це, по суті, стало проривом в техніці і початком нової ери.

Найголовніше, що електричні мотори даного типу виявилися дуже надійними, їх виробництво досить просте, що впливає на невелику собівартість вироби. Плюс нескладна конструкція, яка легко піддається не тільки виробництву, а й ремонту. Якщо звернутися до статистичних даних, то по ним можна зробити висновок, що асинхронні двигуни є найбільш виробленими в світі. На їх рахунок припадає до 90% випуску. Так що цифри говорять самі за себе.

Але чому ці прилади названі асинхронними? Вся справа в тому, що частота обертання магнітного поля статора завжди більше обертання ротора. До речі, у електродвигунів цього типу принцип роботи заснований саме на обертанні магнітного поля.

Принцип роботи двигуна

Щоб зрозуміти, як працюють електродвигуни асинхронні трифазні, необхідно провести один нескладний експеримент. Для цього вам знадобитися звичайний магніт подковообразного типу і мідний стержень. При цьому магніт треба добре закріпити до рукоятки, за допомогою якої його можна крутити на одному місці навколо своєї осі. Мідний стрижень закріплюється в підшипниках і встановлюється в простір між кінцями (полюсами) магніту-підкови. Тобто, стрижень виявляється як би усередині магніту, а, точніше сказати, всередині його площині обертання.

Тепер треба просто обертати магнітний пристрій за ручку. Краще за годинниковою стрілкою. Так як між полюсами є магнітне поле, то воно також буде обертатися. При цьому поле перетинатиме або розсікати своїми силовими лініями мідний стрижень-циліндр. І тут включається закон електромагнітної індукції. Тобто, всередині мідного стержня почнуть виникати вихрові струми. Вони, в свою чергу, почнуть утворювати своє власне магнітне поле, яке буде взаємодіяти з основним магнітним полем.

При цьому стрижень почне обертатися в ту ж сторону, що і магніт. І ось тут виникає один момент, який також лежить в принципі роботи електродвигуна. Про нього було вже згадано. Якщо швидкість обертання стрижня буде таке ж, як у магніту, то їх силові лінії перетинатися не будуть. Тобто, обертання не буде в зв'язку з відсутністю вихрових струмів.

І ще пару нюансів:

• Магнітне поле обертається з тією ж швидкістю, що і сам магніт, тому швидкість називають синхронної.
• А ось стрижень обертається з меншою швидкістю, тому її і називають асинхронної. Звідси, в принципі, назва і самого електричного мотора.

Увага! Різниця швидкостей обертання магнітних полів не дуже велика. Цю величину називають ковзанням.

До речі, визначити величину ковзання нескладно, для цього необхідно скористатися формулою:

S \u003d n-n1 / n, де

• S - це величина ковзання;
• n - швидкість обертання магніту;
• n1 - швидкість обертання ротора.

пристрій двигуна

Звичайно, показане вище пристрій назвати електродвигуном ніяк не можна, тому що для прикладу був використаний магніт, якого в моторі просто немає. Тому необхідно створити таку конструкцію, в якій електричний струм створював би це саме магнітне поле. До того ж воно має ще й обертатися. Російському вченому це виявилося під силу за допомогою трифазного змінного струму.

Тому в конструкції трифазного асинхронного двигуна встановлені три обмотки, розташовані відносно один одного під кутом в 120º. Кожна обмотка підключена до фазного контуру трифазної мережі змінного струму. Обмотки закріплюються до статора, який являє собою металевий сердечник у вигляді порожнього корпусу. Вони ж закріплюються до полюсів сердечника.

Увага! У кожної обмотки два вільних кінця. Один з'єднується з фазою мережі, другий з двома іншими кінцями двох інших обмоток, тобто, в єдиний контур.

Усередині полого сердечника на підшипниках закріплюється ротор. По суті, це той же стрижень-циліндр. Нижче показана схема підключення обмоток і розташування ротора.

Як тільки електричний струм починає подаватися на обмотки, утворюється обертове магнітне поле, яке впливає на ротор, змушуючи його обертатися теж.

Як працює

Щоб зрозуміти принцип дії трифазного асинхронного двигуна, необхідно розглянути графік його роботи. Щоб полегшити це завдання, пропонуємо розглянути схему, розташовану нижче.

• Отже, позиція «А». У ній на першому полюсі фаза дорівнює нулю, другий полюс є північним, тобто, негативним, в третій фазі позитивний заряд. Тому струм рухається по стрілках, зазначеним на малюнку. Той, хто забув шкільну програму фізики, нагадуємо, що рух магнітного поля діє за правилом правої руки. Значить, обертання його буде направлено від півночі до півдня, тобто, від другої котушки (обмотки) до третьої.
• Позиція «Б». Тепер нуль розташований на другій обмотці, на першій південь (плюс), на третій північ (мінус). Тобто, магнітний потік буде тепер спрямований від котушки №3 на котушку №1. Виходить так, що полюси змістилися на 120º.
• У позиціях «В» і «Г» відбулися точно такі ж зрушення полюсів на 120º.

Зміна полярності створює обертання магнітного потоку, який в свою чергу веде за собою ротор. Останній починає обертатися. Як було сказано вище, з енергії електричної виходить енергія обертання (механічна).

Увага! Якщо поміняти місцями другу і третю обмотку, то обертання електродвигуна почнеться в протилежну сторону. Звичайно, самі обмотки не переставляти, а просто проводиться заміна підключення до різних фаз мережі.

Нами була розглянута конструкція електродвигуна асинхронного трифазного з трьома обмотками на статорі, в якому використовується двополюсна схема магнітного поля. Число його оборотів обертання дорівнює числу коливань електричного струму в хвилину. Якщо в мережі змінного струму число коливання в секунду дорівнює 50 Гц, то за хвилину це значення стане 3000 (об / хв).

Але в статор можна закласти не три обмотки. Наприклад, можна встановити шість або десять. При цьому магнітне поле стане чотириполюсним і шестіполюсним відповідно. При цьому змінитися і швидкість обертання ротора. У першому випадку вона буде дорівнює: (50X60) / 2 \u003d 1500 об / хв. У другому: (50X60) / 3 \u003d 1000 об / хв.

Вище нами вже згадувалося, що існує певне відставання обертання ротора від обертання магнітного поля. Правда, це значення незначно. Наприклад, в холостому режимі роботи цей показник буде всього лише 3%, при навантаженнях 5-7%. Навіть 7% - значення невелике, що і є одним з достоїнств асинхронного двигуна.

Як використовувати

На жаль, не у всіх приватних будинках є трифазну напругу. Тому підключення трифазного асинхронного двигуна до однофазної мережі проводиться через конденсатори певної ємності. Зазвичай розрахунок ведеться відповідно: на 1 кВт потужності 70 мкФ ємності. Але є в цій справі ще одна проблема - неможливість регулювати швидкість обертання ротора. Тому фахівці рекомендують підключити до мотору регулятор частоти обертання трифазних асинхронних двигунів.

• По-перше, встановивши його, відпадає необхідність встановлювати конденсатори.
• По-друге, за допомогою даного пристрою вирівнюється потужність електродвигуна до номінальної.
• По-третє, можна регулювати частоту обертання, а також підвищувати її більше номіналу.
• По-четверте, можна регулювати пусковий момент.

Ці пристрої сьогодні продаються в спеціалізованих магазинах, але немає проблем їх зробити і своїми руками.

ротор

За конструкцією ротора електродвигуни асинхронні діляться на дві групи:

1. З фазним ротором.
2. Короткозамкненим.

Перший варіант - це двигуни з великою потужністю, яким необхідний великий пусковий момент. У конструкції їх ротора встановлені контактні кільця. Другий варіант - це конструкція, в пази якої закладені мідні стрижні. Це типові електродвигуни, прості і дешеві. Але у них є пара недоліків: великий пусковий струм і слабке зусилля при початку обертання.

Технічні характеристики

На що зазвичай треба звернути увагу, вибираючи електродвигуни? Технічних характеристик, в принципі, небагато. Це потужність, яка вимірюється в кВт, швидкість обертання ротора в об / хв. Всі решта технічні характеристики не настільки важливі саме для вибору. Хоча, наприклад, маса вироби може допомогти розрахувати навантаження на підставку або монтажну раму.

Висновок по темі

Отже, були розглянуті асинхронні електродвигуни - електричне обладнання, яке нерідко використовується в приватних будинках для побутових потреб. Пристрій і принцип роботи мотора вам тепер зрозуміло, а ось як правильно підключити двигун до однофазної мережі, читайте в іншій статті.

Схожі записи:

Простота виробництва, дешевизна, надійність в роботі привели до того, що асинхронний двигун (АД) став найпоширенішим електродвигуном. Вони можуть працювати як від трифазної електричної мережі, так і від однофазної.

Трифазні асинхронні двигуни застосовуються:

У нерегульованих електроприводах насосів, вентиляторів, компресорів, нагнітачів, димососів, транспортерів, автоматичних ліній, ковальсько-штампувальних машин та ін .:

У регульованих електроприводах металорізальних верстатів, маніпуляторів, роботів, вантажопідйомних механізмів, загальнопромислових механізмів зі змінною продуктивністю і ін.

Конструкція трифазного асинхронного двигуна

Залежно від способу виконання обмотки ротора асинхронного двигуна останні поділяються на дві групи: двигуни з короткозамкненою обмоткою на роторі і двигуни з фазною обмоткою на роторі.

Двигуни з короткозамкненою обмоткою на роторі більш дешеві у виробництві, надійні в експлуатації, мають жорстку механічну характеристику, т. Е. При зміні навантаження від нуля до номінальної частота обертання машини зменшується всього на 2-5%. До недоліків таких двигунів відносяться труднощі здійснення плавного регулювання частоти обертання в широких межах, порівняно невеликий пусковий момент, а також великі пускові струми, В 5-7 разів перевищують номінальний.

Зазначеними вадами не володіють двигуни з фазним ротором, але конструкція ротора у них істотно складніше, що веде до подорожчання двигуна в цілому. Тому їх застосовують в разі важких умов пуску і при необхідності плавного регулювання частоти обертання в широкому діапазоні. У лабораторній роботі розглядається двигун з короткозамкненим ротором.

Трифазний асинхронний двигун має нерухому частину - статор 6 (рис. 6.1), на якому розташована обмотка, що створює обертове магнітне поле, і рухому частину - ротор 5 (рис. 6.1), в якому створюється електромагнітний момент, що приводить в обертання сам ротор і виконавчий механізм.

Сердечник статора має форму порожнього циліндра (рис. 6.2). Для зменшення втрат енергії від вихрових струмів він набирається з окремих, ізольованих один від одного лакової плівкою листів електротехнічної сталі.

На внутрішній поверхні сердечника розташовані пази, в які вкладається обмотка статора. Сердечник запресований в корпус (станину) 7 (рис. 6.1), що виготовляється з чавуну або сплаву алюмінію.

У двигуна з однією парою полюсів обмотка статора виконується з трьох однакових котушок, званих фазами. Кожна фаза обмотки укладається в протилежні пази сердечника статора, фази обмотки зрушені в просторі один відносно одного на кут і з'єднані між собою за особливими правилами. Почала і кінці фаз обмотки статора приєднуються до вивідних затискачів клемной коробки 4 (рис. 6.1), що дозволяє з'єднати фази обмотки статора зіркою або трикутником. У зв'язку з цим асинхронний двигун можна включити в мережу з лінійною напругою, рівним Uф обмотки (обмотка статора з'єднується трикутником) або

Uф (обмотка з'єднується зіркою).

Мал. 6.1. - Загальний вигляд асинхронного двигуна:

підшипники - 1 і 11, вал - 2, підшипникові щити - 3 і 9, клёммная коробка - 4, ротор - 5, статор - 6, станина - 7,

лобові частини фазной обмотки статора - 8, вентилятор - 10, ковпак - 12, ребра - 13, лапи - 14, болт заземлення - 15

Р ис. 6.2.

Ротор 5 (рис. 6.1) складається з сердечника і короткозамкненою обмотки. Сердечник ротора 1 (рис. 6.3) набирається з листів електротехнічної сталі і кріпиться на валу 2 (рис. 6.3) двигуна, листи ізолюються одна від одної окалиною, що утворюється в процесі прокатки. Листи ротора мають пази, в яких розміщуються обмотка.

Двигуни з короткозамкненою обмоткою на роторі мають ряд конструктивних виконань за формою пазів на роторі. Форма пазів ротора вибирається залежно від вимог до пускових характеристиках двигуна. Найбільш раціональними для пазів ротора з короткозамкненою кліткою є трапецеїдальні овальні пази. Існують і інші модифікації пазів ротора (пляшкового і трапецеїдального профілю).

Короткозамкнена обмотка ротора 3 (рис. 6.3) зазвичай виконується литий з алюмінієвого сплаву. В процесі заливки утворюються як стрижні (провідники) обмотки, розташовані в пазах, так і замикають їх накоротко кільця, розташовані поза сердечника ротора. Кільця можуть бути забезпечені вентиляційними лопатками для поліпшення вентиляції двигуна і відводу тепла від обмотки ротора. Відсутність ізоляції обмотки ротора забезпечує хороше відведення тепла від обмотки до сердечника. Таку короткозамкненим обмотку ротора, звану «білячою кліткою».

Вал обертається в підшипниках, укріплених в бічних щитах 3 і 9 (рис. 6.1), званих підшипниковими. Підшипникові щити кріпляться до станини 7 (рис. 6.1) за допомогою болтів.

Між ротором і статором асинхронного двигуна є повітряний зазор. При виборі повітряного зазору стикаються суперечливі тенденції. Мінімальний (обраний за механічними міркувань) повітряний зазор приводить до зменшення струму холостого ходу двигуна і збільшення коефіцієнта потужності. Однак при малому повітряномузазорі збільшуються додаткові втрати в поверхневому шарі статора і ротора, додаткові моменти і шум двигуна. Внаслідок зростання втрат зменшується ККД. Тому в сучасних серіях асинхронних двигунів повітряний зазор вибирається трохи більшим, ніж потрібно за механічним міркувань (щоб ротор при роботі не зачіпав про статор).

Принцип дії асинхронного двигуна заснований на двох явищах: освіту магнітного поля струмами обмотки статора і впливі цього поля на струми, індуковані в короткозамкнених витках обмотки ротора.

Існує два типи трифазних електродвигунів, які розрізняються по конструкції, що обертається (ротора). Рухому частину двигуна іноді називають якорем, але буде правильніше і професійніше називати її ротором.

Асинхронні електродвигуни.

Якщо у електродвигуна ротор не має своєї обмотки (до ротора не підводить напругу через щітки), то це двигун з короткозамкненим ротором, або як ще називаю його асинхронний двигун. Асинхронний він, тому, що в цьому двигуні швидкість зміни магнітної індукції в обмотках статора не збігається (несинхронно) зі швидкістю обертання ротора. Таких трифазних двигунів випускається велика кількість, Через простоту конструкції.

Електродвигун з фазним ротором.

Трифазний електродвигун, у якого ротор має власні обмотки і до цих обмоток підводитися напруга через щітки, називають двигуном з фазним ротором. Складна конструкція такого електродвигуна виправдана, коли потрібно регулювати швидкість обертання і необхідно знизити пускові струми потужного двигуна.

Статор (нерухома частина) у всіх трифазних електродвигунів робиться однаковим по влаштуванню. Конструктивно в муздрамтеатр статора вкладаються обмотки з мідних обмотувальних проводів. Кількість окремих обмоток може бути від 3, 6, 9 12. З трьома обмотками електродвигун, при підключенні до мережі, буде обертатися зі швидкістю 3000 об. в хв. З шістьма, дев'ятьма, дванадцятьма обмотками електродвигуни будуть обертатися, відповідно зі швидкостями 1500, 1000, 750 об. в хв, але з великими обертаючими моментами, ніж двигун на 3000 об. в хв.

Всі наведені значення швидкості обертання для окремих двигунів досягаються тільки при підключенні в трифазну мережу з напругою 380В, коли обмотки статора з'єднанні за схемою «зірка».

Принцип дії.

Вся справа в магнітної індукції, яка також виконує корисну роботу в електромагнітах і трансформаторах. Завдяки магнітної індукції, до включеним електромагнітам притягуються металеві предмети. Завдяки цій же силі в трансформаторах передається електроенергія від однієї котушки до іншої, які ізольовані один від одного.

У електродвигунах магнітна індукція проявляється, коли створюється безконтактна зв'язок між статором і ротором. Більш детально, це відбувається в такий спосіб. Струм, проходячи через обмотки статора електродвигуна, створює магнітне поле. Це поле не завжди, як в електромагніт або трансформаторі. А швидко по черзі змінює свою полярність, і повертається в початковий стан, коли зробить оборот по обмоткам статора.

А користь від цього електромагнітного поля в тому, що воно завдяки силі індукції намагнічує окрему ділянку на поверхні ротора, паралельний до фізичної осі двигуна. А далі, змінне магнітне поле тягне його за собою, таким чином, змушуючи обертатися статор навколо своєї осі.

Аварійний режим роботи (при обриві фази).

Будь-обрив проводів двигуна є аварійною ситуацією, яка призводить до псування, як самого двигуна, так і пускових пристроїв підключених до нього. Серйозність наслідків при обриві фази залежить від того, за якою схемою підключені обмотки двигуна до мережі живлення.

При підключенні електродвигуна за схемою «зірка».

Якщо двигун працював, то ротор буде і далі крутитися з незмінним моментом, але помітно знизитися швидкість його обертання. При цьому в інших обмотках, які залишилися підключеними до напруги, буде протікати завищений струм, однаковий за величиною в двох цих обмотках.

Якщо залишити двигун довго працювати при обриві фази, дві підключені обмотки рівномірно нагріються. В кінцевому підсумку двигун не максимально навантажений, і якісно зроблений, може залишитися щодо цілим. Але знизитися опір ізоляції обмотувальних проводів, так як вони обвугляться при перегріванні. І повторних таких мук електродвигун вже не витримає.

При підключенні електродвигуна за схемою «трикутник».

Якщо двигун працював, то ротор буде і далі крутитися, як і в попередньому розглянутому випадку. Але при цьому, в одній з решти підключених обмоток, буде протікати завищений 1,73 рази струм, ніж при нормальному режимі роботи.

Так що, якщо залишити двигун довго працювати при обриві фази, одна з двох підключених обмоток сильно нагріється. А сам двигун, в кінцевому підсумку задимитися і зупинитися. Так як, зруйнуватися емалева ізоляція на обмотувальних проводах всередині двигуна, і станеться коротке замикання.

Якщо спробувати запустити електродвигун з обірваної фазою, він або зовсім не почне обертатися, або буде дуже повільно набирати обертів. І без різниці, за якою схемою двигун підключений. При цьому двигун буде сильно шуміти, через надмірне магнітного потоку, що проходить через частину муздрамтеатру двигуна.

При обриві двох фаз працює електродвигун зупинитися, не працюючий двигун не запуститися, і ніяких шкідливих наслідків не буде.

Підключення до однофазної мережі.

Дуже часто з'являється необхідність використовувати трифазний двигун замість однофазного на пральній машині, вентиляторі, різних деревообробних верстатах, водних насосах, шліфувальних верстатах.

Найчастіше електродвигуни підключаються за схемою «зірка», так як в цьому випадку їх можна використовувати в трифазній мережі, тобто при максимальному робочому напрузі 380В. Але при підключенні до однофазної мережі, на знижену напругу 220В, така схема зовсім не годиться. Тому що електродвигун, підключений за схемою «зірка» до однофазної мережі, втратить половину своєї потужності.

Конкретно, підключення за схемою «зірка», це коли кінці трьох обмоток скручені разом, а початку цих обмоток підключаються до мережі живлення.

Ось як підключаються дроти до клемної колодки і так потрібно розташувати перемички в розподільній коробці (Борна) електродвигуна при підключенні по схемі «зірка».

За схемою «трикутник».

Якщо потрібно підключити трифазний електродвигун до однофазної мережі з напругою 220В, тоді бажано зібрати обмотки за схемою «трикутник». По тому що, при такій схемі включення двигун втратить всього лише 30% від номінальної потужності. І до того ж, зовсім не знизитися швидкість обертання.

Загалом, щоб виконати підключення за схемою «трикутник», потрібно кінець однієї обмотки підключити до початку інший, і так послідовно з'єднати всі обмотки, а місця їх з'єднання підключити до мережі живлення.

Так ось повинні бути підключені дроти до клемної колодки, і так розташовані перемички в Борна електродвигуна при підключенні по схемі «трикутник».

Будьте уважні! Існують трифазні електродвигуни, розраховані на робочі напруги 220 / 127В. І якщо перемкнути у Борне такий двигун на схему «трикутник», тобто на знижену напругу 127В, а далі включити його в однофазну мережу стандартного напруги 220В, то двигун швидко згорить.

Для того, щоб трифазний електродвигун працював в однофазної мережі необхідний ще буде фазосдвігающій, або як його ще називають робочий конденсатор.

В кінцевому підсумку, потрібно кінці фазосдвигающей конденсатора підключити до двох клем в Борна, а два дроти від мережі підкинути так: один до будь-якого висновку конденсатора; другий до вільної клеми в Борна.