Меню

Полюса электродвигателя переменного тока что это такое

Электродвигатели

Принцип действия

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Обмотка ротора состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (беличья клетка). Обмотка статора (обмотка возбуждения) питается от сети переменным током – образуется вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в обмотках ротора ток. На проводники с током обмотки ротора со стороны магнитного поля обмотки возбуждения действуют электромагнитные силы — образуется вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля статора (поэтому электродвигатель и называется асинхронным), в противном случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю и магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и создавать крутящий момент.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Обмотки ротора выводятся на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включается пускорегулирующий реостат. Увеличивая сопротивление реостата в момент пуска, можно увеличить пусковой момент и снизить пусковой ток.

Синхронные электродвигатели

Обмотка статора (якорная обмотка) питается от сети переменным током – образуется вращающееся магнитное поле. На роторе находится индукторная обмотка, выведенная на контактные кольца. При пуске обмотки ротора закорачиваются накоротко или через реостат, и двигатель разгоняется в асинхронном режиме. После выхода на скорость, близкую к номинальной, индуктор запитывается постоянным током — создаётся постоянное магнитное поле, которое сцепляется с магнитным полем статора и начинает вращаться с ним синхронно (двигатель входит в синхронизм).

Режимы работы асинхронного двигателя

  • Двигательный

Электродвигатель преобразует электрическую энергию, потребляемую из сети, в механическую.

Генераторный

Асинхронный двигатель переходит в генераторный режим, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля – на валу появляется тормозной момент. В этом режиме электродвигатель преобразовывает механическую энергию в электрическую и отдаёт её в сеть.

Электромагнитного тормоза

Асинхронный двигатель переходит в режим электромагнитного тормоза, если ротор и магнитное поле статора вращаются в разные стороны — на валу появляется тормозной момент, но двигатель при этом продолжает потреблять электроэнергию из сети — вся потребляемая энергия идёт на нагрев двигателя.

Способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя

  • Реостатное

В цепь ротора (двигателя с фазным ротором) вводятся добавочные сопротивления — механическая характеристика двигателя становится мягче (ухудшается устойчивость работы, увеличивается скольжение), скорость снижается, при этом увеличивается пусковой момент и сохраняется перегрузочная способность.
Недостатки: большие потери на реостате, скорость меняется скачками.

Изменением числа пар полюсов

В многоскоростных двигателях, по-разному коммутируя обмотки статора, можно менять число пар полюсов, а значит и скорость вращения вала, т.к. скорость вращения магнитного поля пропорциональна числу пар полюсов. При этом способе сохраняется КПД и жёсткость механических характеристик, но снижается перегрузочная способность (которую можно сохранить, изменяя напряжение).
Недостатки: ступенчатое регулирование, высокая цена, большие габариты.

Частотное

Для этого способа регулирования применяются преобразователи частоты. Если при изменении частоты сохранять неизменным магнитный поток (а для этого мы должны поддерживать постоянным соотношение U/f), то мы получаем семейство механических характеристик с одинаковой жёсткостью и перегрузочной способностью.
Преимущества: плавность регулирования, отличные экономические характеристики, возможность увеличивать частоту выше 50 Гц (частоты сети).

Как выбрать электродвигатель

Обмотка ротора

  • Короткозамкнутый ротор (беличья клетка)
  • Фазный ротор: обмотка ротора выведена на контактные кольца, вращающиеся с валом двигателя. С помощью металлографитовых щёток в цепь ротора включается пуско-регулирующий реостат. С помощью этого реостата можно уменьшить пусковой ток и регулировать скорость вращения вала двигателя.

Обмотка статора, напряжение питания

Обмотка статора может быть соединена по схеме «звезда» или «треугольник».
Если на шильдике двигателя написано: 220/380, D/Y, то это значит, что двигатель можно включать в сеть с Uл = 220 В по схеме «треугольник», а с Uл = 380 В — по схеме «звезда».

Для IEC двигателей стандартное напряжение — 230/400 В, а для отечественных — 220/380 В.

Типоразмер

Типоразмер или габарит (Frame size) — это расстояние в миллиметрах «от пола» до оси вала двигателя. Типоразмеры отечественных двигателей (ГОСТ) и импортных (IEC, NEMA) в общем случае не совпадают: наши двигатели ниже, чем импортные той же мощности.

Материал корпуса (станины)

  • Алюминий (Aluminium)
  • Чугун (Cast Iron).

Коэффициент полезного действия (Efficiency)

КПД η равен отношению механической мощности на валу двигателя P2 к потребляемой из сети электрической мощности P1.

Выходная мощность меньше входной на величину потерь.

Класс энергоэффективности

  • EFF1 (High Efficiency motors)
  • EFF2 (Improved Efficiency motors)
  • EFF3 (Conventional Efficiency motors).

Монтажное исполнение

  • Лапы (Foot) литые с корпусом или прикручиваемые
  • Фланцы (Flange) с врезными отверстиями (малые фланцы) или со сквозными (большие фланцы)
  • Комбинированные — лапы и фланец.

Класс защиты корпуса двигателя IP

Стандартная степень защиты электродвигателей — IP55.

Скорость вращения

Скорость вращения магнитного поля двигателя (синхронная скорость):
n1 = 60f / p [об/мин],
где p — число пар полюсов двигателя,
f — частота сети (50 Гц).

  • 2 полюса — 3000 об/мин
  • 4 полюса — 1500 об/мин (стандарт)
  • 6 полюсов — 1000 об/мин
  • 8 полюсов — 750 об/мин
  • 10 полюсов — 600 об/мин
  • 12 полюсов — 500 об/мин.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя меньше скорости вращения магнитного поля:
n2 = n1(1 — s),
где s — скольжение.

Многоскоростные электродвигатели — это двигатели, у которых ступенчатое изменение скорости реализовано с помощью переключения числа пар полюсов.

Температура окружающей среды и высота над уровнем моря

При установке двигателя выше 1000 метров над уровнем моря и при эксплуатации при повышенной температуре окружающей среды необходимо учитывать снижение (Derating) мощности двигателя (для этого есть специальные таблицы).

Класс нагревостойкости изоляции

  • B — 130° С
  • F — 150° С (достаточно для работы от преобразователя частоты)
  • H — 180° С

Номинальные характеристики двигателя для всех классов изоляции указываются для температуры охлаждающей среды +40°С.

Режим нагрузки (Duty)

  • S1 — продолжительный: двигатель работает при установившейся температуре
  • S2 — кратковременный: двигатель не успевает нагреться до установившейся температуры, но во время остановки успевает полностью охладиться
  • S3 — повторно-кратковременный: работа с постоянной нагрузкой чередуется с выключениями, при этом двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
  • S4 — повторно-кратковременный с длительными пусками: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
  • S5 — повторно-кратковременный с длительными пусками и электрическим торможением: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
  • S6 — перемежающийся: работа с постоянной нагрузкой чередуется с работой на холостом ходу, при этом двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
  • S7 — перемежающийся с длительными пусками и торможениями: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры
  • S8 — перемежающийся с периодическим изменением скорости вращения: двигатель не успевает ни нагреться, ни охладиться до установившейся температуры

Тепловая защита двигателя

  • PTC-термисторы — это резисторы, сопротивление которых мгновенно возрастает при достижении заданной температуры. От 1 до 3 термисторов соединяются последовательно для сигнализации температуры отключения (Trip), например, 155°C. Ещё одна цепочка термисторов может быть настроена на сигнал предупреждения (Alarm), например, 145°C.
  • PT100 — платиновые датчики температуры обладают высокой стойкостью к окислению и большой точностью измерения. PT100 подключаются по 2-х, 3-х или 4-х проводной схеме (чем больше проводов — тем меньше влияние помех).
    От 3 до 6 датчиков PT100 могут устанавливаться в обмотку статора.
    Для измерения температуры подшипников могут быть использованы ещё 2 датчика PT100.
  • KTY — кремниевые термодатчики с положительным коэффициентом сопротивления, характеризуются высокой линейностью характеристики, высоким быстродействием, надёжной твёрдотельной конструкцией и небольшой стоимостью.

Сервис-фактор

Двигатель с сервис-фактором 1.1 может постоянно работать с перегрузкой 10% от номинального выходного момента.

Класс по моменту (Torque class)

Класс по моменту показывает кратность пускового момента (при прямом пуске от сети) при пониженном на 5% напряжении:

  • Класс 16 — 160%
  • Класс 13 — 130%
  • Класс 10 — 100%
  • Класс 7 — 70%
  • Класс 5 — 50%

Коэффициент мощности cos φ

Коэффициент мощности (cos φ) равен отношению потребляемой двигателем активной мощности к полной мощности.
Активная мощность расходуется на совершение полезной работы.
Полная мощность равна геометрической сумме активной и реактивной мощности.
Реактивная мощность расходуется на намагничивание двигателя.

Антиконденсационный нагрев

Для того, чтобы перед пуском двигателя в сыром помещении просушить обмотки есть два способа:

  • Использовать двигатель со специальным встроенным нагревателем
  • Подать на одну обмотку статора напряжение от 4 до 10% номинального (чтобы пропустить ток от 20 до 30% от номинального), что достаточно для испарения конденсата (применимо не для всех двигателей). Некоторые преобразователи частоты умеют это делать.

Охлаждение

  • Поверхностное охлаждение (Non-ventilated: вентилятора нет)
  • Самовентиляция (Self-ventilated: вентилятор на валу двигателя)
  • Принудительное охлаждение (Forced cooling: независимый вентилятор или жидкостное охлаждение водой или маслом)

Для турбомеханизмов (вентиляторы и насосы, для которых момент на валу пропорционален квадрату скорости), как правило, достаточно самовентиляции.
Двигатели, которые работают от преобразователей частоты с постоянным моментом длительное время на низких скоростях, необходимо или переразмеривать, или обеспечить принудительным охлаждением.

Вентилятор

  • Пластиковый
  • Металлический
  • Металлический с увеличенным моментом инерции

Требования к двигателю при работе от преобразователя частоты

  • Температурный класс изоляции не ниже F
  • Возможно принудительная вентиляция (см. выше)
  • Изолированный подшипник с нерабочей стороны вала (рекомендуется для типоразмеров 225 и выше)

Подшипники

При работе от преобразователя частоты на частотах выше 50 Гц срок службы подшипников уменьшается.

У одних двигателей с рабочей стороны вала установлен плавающий подшипник (Floating bearing), а с нерабочей стороны подшипник зафиксирован (Located bearing). У других — наоборот (для сочленения с редуктором, например).

В стандартном исполнении подшипники подпружинены в аксиальном направлении (вдоль вала) для обеспечения равномерной работы двигателя. У двигателей с радиально-упорными подшипниками такой пружины нет, поэтому радиальное усилие (перпендикулярно валу — от ремня, например) должно быть приложено постоянно, иначе подшипник быстро выйдет из строя.

Смазка

Как правило, для двигателей с типоразмерами до 250, работающих в номинальном режиме, смазка рассчитана на весь срок службы подшипников.
Для пополнения смазки у двигателя должен быть предусмотрен специальный ниппель.

Читайте также:  Схема для измерения тока проводимости

Вал двигателя

У двигателя может быть выведен второй конец вала двигателя, который может передавать как номинальный, так и меньший момент.
Второй конец вала несовместим с такими опциями как: датчик скорости и вентилятор принудительного охлаждения, а, возможно, и с тормозом.

Тормоз

При выборе тормоза необходимо учесть:

  • Тип:
    • статический (удерживающий тормоз срабатывает только при неподвижном вале)
    • динамический (можно регулировать момент торможения, меньше изнашивается в случае аварийного торможения)
  • Максимальную скорость, при которой возможно аварийное торможение
  • Момент нагрузки
  • Момент инерции
  • Число пусков
  • Напряжение питания: переменное (

    220В) или постоянное (=24В)

  • Скорость срабатывания: тормоз с выключением на DC-стороне срабатывает быстрее (для подъёмника, например), чем тормоз с выключением на AC-стороне (для конвейера)

Датчик скорости

Датчик скорости может находится герметично внутри корпуса (Incapsulated) или снаружи под защитной крышкой.

Источник

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды

Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.

Устройство

Конструктивно простейшая асинхронная машина представляет собой рамку, вращающуюся в переменном магнитном поле. Однако на практике данная модель носит скорее ознакомительный характер и практического применения в промышленности не имеет. Поэтому на рисунке 1 ниже мы рассмотрим устройство действующей модели асинхронного электродвигателя.

Устройство асинхронного электродвигателя

Рис. 1. Устройство асинхронного электродвигателя

Весь двигатель располагается в корпусе станины 7, ее основная задача состоит в обеспечении достаточной механической прочности, способной выдерживать достаточные усилия. Поэтому чем выше мощность агрегата, тем большей прочностью должна обладать станина и корпус.

Внутрь корпуса устанавливается сердечник статора 3, выступающий в роли магнитного проводника для силовых линий рабочего поля. С целью уменьшения потерь в стали магнитопровод выполняется наборным из шихтованных листов, однако в ряде моделей применяется и монолитный вариант.

В пазы сердечника статора укладывается обмотка 2, предназначенная для пропуска электрического тока и формирования ЭДС. Число обмоток будет зависеть от количества пар полюсов на каждую фазу. Также в части уложенных обмоток электродвигатели подразделяются на:

  • трехфазные;
  • двухфазные;
  • однофазные.

Внутри статора располагается подвижный элемент – ротор 6. По конструкции ротор может быть короткозамкнутым или фазным, на рисунке приведен первый вариант. В состав ротора входит сердечник 5, также набранный из шихтованной стали и беличья клетка 4. Вся конструкция насажена на металлический вал 1, передающий вращение и механическое усилие.

Принцип работы

Заключается в формировании электромагнитного поля вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Для асинхронного электродвигателя данный процесс начинается сразу после подачи напряжения на обмотки статора, после чего в роторе наводится ЭДС взаимоиндукции, индуцирующей вихревые токи в металлическом каркасе. Наличие вихревых токов обуславливает генерацию собственной ЭДС, которая формирует электромагнитное поле ротора. Наиболее эффективный КПД асинхронной электрической машины получается при работе от трехфазной сети.

Конструктивно обмотки статора имеют смещение в пространстве друг относительно друга на 120°, что показано на рисунке 2 ниже:

Геометрическое смещение фаз в статоре

Рис. 2. Геометрическое смещение фаз в статоре

Такой прием позволяет отстроить магнитное поле рабочих обмоток в строгом соответствии с напряжением трехфазной сети, которое имеет аналогичную разность кривых электрической величины.

Принцип формирования магнитного потока асинхронного двигателя

Рис. 3. Принцип формирования магнитного потока асинхронного двигателя

На рисунке 3 выше все три фазы изображены в разных цветах для упрощения понимания процесса, также здесь изображена кривая токов, протекающих в фазах асинхронного электродвигателя. Теперь рассмотрим физические процессы в обмотках двигателя для трех позиций показанных на рисунке:

  • I – в этой позиции максимальный ток протекает в красной обмотке электродвигателя, а значение силы тока в желтой и синей равны. Основной поток силовых линий формируется красной фазой, а два других дополняют его.
  • II – в данной точке желтая синусоида равна нулю, поэтому никакого потока не создает, а сила тока красной и синей равны. Поток формируется сразу двумя фазами и смещается по часовой стрелке вправо, совершая поворот.
  • III – третья точка характеризуется максимумом токовой нагрузки для синей кривой, а красная и желтая имеет равную амплитуду, но противоположную по направлению. В результате чего максимум магнитных линий южного и северного полюса сместиться еще на 30°.

По данному принципу магнитное поле статора вращается в асинхронной электрической машине в течении периода. За счет магнитного взаимодействия с полем статора асинхронного электродвигателя происходит поступательное движение ротора вокруг своей оси. Можно сказать, что ротор пытается догнать поле статора. Именно за счет разницы во вращении полей данный тип электрической машины получил название асинхронной.

Отличие от синхронного двигателя

Наряду с простыми асинхронными электрическими машинами в промышленности также используются и синхронные агрегаты. Основным отличием синхронного двигателя является наличие вспомогательной обмотки на роторе, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, что показано на рисунке 4 ниже.

Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Рис. 4. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Эта обмотка создает магнитный поток, не зависящий от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Поэтому при возбуждении синхронного электродвигателя его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличии от асинхронного типа, где существует разница в движении, которая физически выражается как скольжение и рассчитывается по формуле:

где s – это величина скольжения, измеряемая в процентах, n1 – частота, с которой вращается поле статора, n2 – частота, с которой вращается ротор.

Синхронные электродвигатели применяются в тех устройствах, где важно соблюдать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Также они обеспечивают сохранение рабочих характеристик в момент пуска.

На практике существует огромное количество разновидностей асинхронных электродвигателей, отличающихся как сферой применения, так и мощностью согласно ГОСТ 12139-84 . В связи с тем, что все вариации перечислить невозможно, мы рассмотрим наиболее значимые критерии, по которым асинхронные аппараты разделяются на виды.

По количеству питающих фаз выделяют:

  • трехфазные – используются в сетях, где есть возможность подключиться сразу ко всем фазам, но в частных случаях могут запускаться и в однофазной сети;
  • двухфазные – применяются во многих бытовых приборах, состоят из двух рабочих обмоток, одна из которых питается напряжением сети, а вторая подключается через фазосдвигающий конденсатор.
  • однофазные – как и предыдущая модель содержат две обмотки, одна из которых рабочая, а вторая пусковая.

По типу ротора различают:

асинхронный двигатель с короткозамкнутым и с фазным ротором

  • с короткозамкнутым ротором – имеет тяжелый пуск, но и меньшую стоимость;
  • с фазным ротором – на роторе устанавливается вспомогательная обмотка, делающая работу электродвигателя более плавной.

Рисунок 5: асинхронный двигатель с короткозамкнутым и с фазным ротором

По способу подачи питания:

  • статорные – классические модели, в которых рабочие обмотки устанавливают на статор;
  • роторные – рабочие обмотки помещаются на вращающемся элементе, широкое применение на практике получили асинхронные двигатели Шраге-Рихтера.

Способы пуска и схемы подключения

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором обладает низкой себестоимостью, большими пусковыми токами и низким усилием на старте. Поэтому для различных целей могут применять различные способы пуска, снижающие бросок тока в обмотках и улучшающие рабочие характеристики:

  • прямой – напряжение на электродвигатель подается через пускатели или контакторы;
  • переключение схемы соединения обмоток электродвигателя со звезды на треугольник;
  • понижение напряжения;
  • плавный пуск;
  • изменение частоты питающего напряжения.

Однофазного асинхронного двигателя.

Для асинхронного однофазного электродвигателя могут использоваться три основных способа пуска:

  • С расщеплением полюсов – используется в электродвигателях особой конструкции, но недостатком методы является постоянная потеря мощности.

Пуск однофазного двигателя с расщеплением полюса

  • С конденсаторным пуском – вводит пусковой конденсатор в момент запуска асинхронного двигателя и убирает его со схемы через несколько секунд после начала работы. Обладает максимальным вращательным моментом.
  • С резисторным пуском электродвигателя – обеспечивает начальный сдвиг между векторами ЭДС обмоток для скольжения в асинхронной машине.

Пуск однофазного двигателя через конденсатор и сопротивление

Трехфазного асинхронного двигателя.

Способы пуска трехфазного электродвигателя

Трехфазные асинхронные агрегаты могут подключаться такими способами:

  • Напрямую в цепь через пускатель или контактор, что обеспечивает простоту процесса, но формирует максимальные токи. Этот способ не подходит в случае больших механических нагрузок на вал.
  • Переключением схемы со звезды на треугольник – применяется для снижения токов в обмотках электродвигателя за счет уменьшения питающего напряжения с линейного на фазное.
  • Путем подключения через преобразователь напряжения, реостаты или автотрансформатор для снижения разности потенциалов. Также используется изменение числа пар полюсов, частоты питающего напряжения и прочие.

Помимо этого трехфазные асинхронные двигатели могут использовать прямую и реверсивную схему включения в цепь. Первый вариант применяется только для вращения вала электродвигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно переключать движение рабочего органа в прямом и обратном направлении.

Прямая схема без возможности реверсирования

Рис. 9: прямая схема без возможности реверсирования

Рассмотрим нереверсивную схему пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь, через трехполюсный автомат QF1 питание подается на пускатель KM1. При нажатии кнопки SB2 произойдет подача напряжения на обмотки электродвигателя, его остановка осуществляется кнопкой SB1. Тепловое реле KK1 применяется для контроля температуры нагрева, а лампочка HL1 сигнализирует о включенном состоянии контактора.

Схема прямого включения с реверсом

Рисунок 10: схема прямого включения с реверсом

Реверсивная схема (смотрите рисунок 10) устроена аналогичным образом, но в ней используются два пускателя KM1 и KM2. Прямое включение асинхронного электродвигателя производиться кнопкой SB2, а обратное SB3.

Применение

Область применения асинхронных электродвигателей охватывает достаточно большой сегмент хозяйственной деятельности человека. Поэтому их можно встретить в различных типах станочного оборудования – токарных, шлифовальных, фрезерных, прокатных и т.д. В работе грузоподъемных кранов, талей, тельферов и прочих механизмов.

Их используют для лифтов, горнодобывающей техники, землеройного оборудования, эскалаторов, конвейеров. В быту их можно встретить в вентиляторах, микроволновках, хлебопечках и прочих вспомогательных устройствах. Такая популярность асинхронных электродвигателей обусловлена их весомыми преимуществами.

Преимущества и недостатки

К преимуществам асинхронных электродвигателей, в сравнении с другими типами электрических машин следует отнести:

  • Относительно меньшая стоимость, в сравнении с другими типами электродвигателей, за счет простоты конструкции;
  • Высокая степень надежности, благодаря отсутствию вспомогательных элементов редко выходят со строя;
  • Способны выносить кратковременные перегрузки;
  • Могут включаться в цепь напрямую без использования дополнительного оборудования;
  • Низкие затраты на содержание в ходе эксплуатации.

Основными недостатками асинхронного электродвигателя являются относительно большие пусковые токи и слабый пусковой момент, что в определенной степени ограничивает сферу прямого включения. Также асинхронные электродвигатели обладают низким коэффициентом мощности и сильно зависят от параметров питающего напряжения.

Видео по теме

Источник

Принцип работы электродвигателей

Принцип работы электродвигателей. Основные понятия.

Магнетизм

Наиболее характерное магнитное явление — притяжение магнитом кусков железа — известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые — отталкиваются друг от друга.

Магнетизм

Магнитное поле

Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.

Электромагнетизм

Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.

магнитное поле вокруг проводника

Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.

магнитное поле вокруг катушки

Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.

Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.

Ротор:

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.

Статор:

Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

электродвигатель

Вращение под действием магнитного поля

Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса — притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.

смена полюсов магнита при изменении направления тока

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Чередование полюсов с помощью переменного тока

Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:

Переменный ток — AC

Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.

Вращающееся магнитное поле с помощью трёхфазного питания

Трёхфазный переменный ток

Трёхфазное питание — это непрерывный ряд перекрывающихся напряжений переменного тока (AC).

Смена полюсов

На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.

Смена полюсов

Для наглядности мы заменили ротор вращающимся магнитом, а статор — катушками. В правой части страницы приведено изображение двухполюсного трёхфазного электродвигателя. Фазы соединены парами: 1-й фазе соответствуют катушки A1 и A2, 2-й фазе — B1 и B2 , а 3-й соответствуют C1 и C2. При подаче тока на катушки статора одна из них становится северным полюсом, другая — южным. Таким образом, если A1 — северный полюс, то A2 — южный.

Питание в сети переменного тока

Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.

Обмотки фаз

Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.

число полюсов

Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)

Вращение ротора

Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.

Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.

Вращение ротора в сторону вращения магнитного поля

Индукция

Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.

поляризация ротора

Индукция

В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

В предыдущем разделе, чтобы было проще объяснить принцип действия ротора, заменив его для наглядности магнитом. Теперь заменим магнитом статор. Индукция — это явление, которое наблюдается при перемещении проводника в магнитном поле. Относительное движение проводника в магнитном поле приводит к появлению в проводнике так называемого индуцированного электрического тока. Этот индуцированный ток создаёт магнитное поле вокруг каждой обмотки проводника ротора. Так как трёхфазное AC питание заставляет магнитное поле статора вращаться, индуцированное магнитное поле ротора будет следовать за этим вращением. Таким образом вал электродвигателя будет вращаться. Электродвигатели переменного тока часто называют индукционными электродвигателями переменного тока, или ИЭ (индукционными электродвигателями).

Магнитное поле ротора

Принцип действия электродвигателей

Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.

Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.

Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.

Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.

Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.

Магнитный поток через статор

магнитный поток через ротор

вращающий момент

Статор элетродвигателя

Статор — это неподвижный электрический компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых всё время меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Статор

Все статоры устанавливаются в раму или корпус. Корпус статора электродвигателей Grundfos для электродвигателей мощностью до 22 кВт чаще всего изготавливается из алюминия, а для электродвигателей с большей мощностью — из чугуна. Сам статор устанавливается в кожухе статора. Он состоит из тонких пластин электротехнической стали, обмотанных изолированным проводом. Сердечник состоит из сотен таких пластин. При подаче питания переменный ток проходит по обмоткам, создавая электромагнитное поле, перпендикулярное проводникам ротора. Переменный ток (AC) вызывает вращение магнитного поля.

статор электродвигателя

Изоляция статора должна соответствовать требованиям IEC 62114, где приведены различные классы защиты (по уровням температуры) и изменения температуры (AT). Электродвигатели Grundfos имеют класс защиты F, а при увеличении температуры — класс B. Grundfos производит 2-полюсные электродвигатели мощностью до 11 кВт и 4-полюсные электродвигатели мощностью до 5,5 кВт. Более мощные электродвигатели Grundfos закупает у других компаний, уровень качества продукции которых соответствует принятым в Grundfos стандартам. Для насосов, в основном, используются статоры с двумя, четырьмя и шестью полюсами, так как частота вращения вала электродвигателя определяет давление и расход насоса. Можно изготовить статор для работы с различными напряжениями, частотами и мощностями на выходе, а также для переменного количества полюсов.

Ротор элетродвигателя

В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.

беличье колесо - короткозамкнутый ротор

При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.

Обмотки проводников ротора

Асинхронные электродвигатели

В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.

Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).

расчет частоты вращения магнитного поля

Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.

синхронная частота вращения

Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.

Число полюсов

Синхронная частота вращения 50 Гц

Синхронная частота вращения 60 Гц

Источник



Асинхронный двигатель принцип работы

Среди разнообразия выпускаемых на сегодняшний день типов электрических моторов большое распространение получили асинхронные двигатели. Их мощность и эффективность обеспечивает использование в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, в насосных агрегатах, на фабриках, в станках и ручном электрическом инструменте.

асинхронный трехфазный двигатель

Асинхронный двигатель: что это

Асинхронный двигатель – это асинхронная электрическая машина, применяемая для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронный дословно означает неодновременный – здесь имеется в виду, что у асинхронного двигателя магнитное поле всегда имеет большую частоту вращения, чем ротор, который словно пытается его догнать. Работают эти машины от сетей с переменным током.

Любой асинхронный двигатель состоит из двух ключевых составляющих: ротора и статора. Эти части не контактируют между собой и отделены друг от друга воздушным зазором, в котором формируется подвижное магнитное поле.

Статор асинхронной машины состоит из следующих частей:

  1. Корпус. Служит для скрепления всех деталей мотора. Для двигателей небольшого размера, как правило, используют цельные литые корпусы из чугуна, стальных и алюминиевых сплавов.
  2. Сердечник или магнитопроводник. Собирается из пластин, для изготовления которых применяют специальную электрическую сталь. Запрессовывается в корпус и улучшает магнитно-индукционные качества машины. Каждая пластина сердечника покрывается особым лаком, позволяющим уменьшить потери при возникновении вихревых токов. В некоторых случаях устройство асинхронного двигателя предусматривает установку корпуса-сердечника, совмещающего в себе обе функции.
  3. Обмотки. Устанавливаются в пазы сердечника. Представляет собой три катушки из меднопроволочных секций, расположенные под углом в 120˚ относительно друг друга. Называется первичной, потому что подключается к сети напрямую.

Конструкция ротора состоит из основного блока с вентиляционной крыльчаткой, опирающегося на подшипники. Связь ротора с приводимым в движение механизмом обеспечивается с помощью прямого подключения, редукторов или других способов передачи механической энергии. В асинхронных двигателях используются два вида роторов:

  1. Массивный ротор – единая схема из прочного ферромагнитного соединения. Внутри неё индуцируются токи, и она же выполняет в конструкции роль магнитопровода.
  2. Короткозамкнутый ротор (изобретён великим русским инженером Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским, как и весь трёхфазный ток) – система соединенных с помощью колец проводников, похожая по внешнему виду на беличье колесо. Внутри него индуцируются токи, чье электромагнитное поле вступает во взаимодействие с магнитным полем статора, в результате чего ротор приводится в движение.

беличье колесо

Рекомендуем посмотреть это видео. Оно хоть и старое, но интересное и познавательное. Позволит закрыть непонятные моменты.

Трехфазный асинхронный двигатель. Принцип работы

Принцип действия асинхронного двигателя заключается во взаимном расположении обмоток и трехфазном напряжении, что приводит к возникновению вращающегося магнитного поля, которое и выступает движущей силой.

Подробнее говоря, при подаче питания на первичную обмотку, на фазах образуются три магнитных потока, изменяющихся в зависимости от частоты входного напряжения. Они смещены между собой не только в пространстве, но и во времени, благодаря чему и появляется вращающийся магнитный поток.

Во время вращения результирующий поток создает ЭДС в роторных проводниках. По причине того, что обмотка ротора представляет собой замкнутую цепь, в ней создается ток, создающий пусковой момент в направлении вращения магнитного поля статора. Это приводит к вращению ротора после превышения пусковым моментом его тормозного момента. Наблюдаемое в этот момент явление называется скольжением — величиной, показывающей в виде процентов соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора.
соотношение частоты вращения магнитного поля к частоте вращения ротора
(n1 – частота магнитного поля статора; n2 – частота вращения ротора)

Скольжение является очень важным параметром. На старте его величина всегда равна 1 и, естественно, становится меньше по мере увеличения разности между n1 и n2, что сопровождается также уменьшением электродвижущей силы и вращающего момента. Во время работы на холостом ходу скольжение минимально и растет по мере увеличения статического момента. Достигнув критического скольжения (обозначается как sкр), может спровоцировать опрокидывание двигателя. После уравновешивания тормозного и электромагнитного момента изменения величин прекращаются.

Таким образом, принцип действия асинхронного двигателя основывается на взаимодействии магнитного поля ротора, находящегося во вращении, и токов, наведенных в роторе этим же полем. При этом обязательным условием возникновения вращающего момента является разница частот вращения полей.

Однофазный асинхронный двигатель

Фактически, любой асинхронный электродвигатель является трехфазным и предусматривает подключение к трехфазной сети с напряжением 380 В. Однофазным или двухфазным его называют при подключении к однофазной электросети с напряжением 200 В, когда питание подается лишь на две обмотки. В такой схеме на основную рабочую обмотку подается чистая фаза от сети, а на другую питание идет через фазосдвигающий элемент, как правило, конденсатор. Такая схема позволяет создать необходимую индукцию для смещения ротора и запустить асинхронный двигатель от однофазной сети. Для дальнейшей его работы даже необязательно, чтобы пусковая обмотка (которую подключают через конденсатор) оставалась под напряжением.

Дело в том, что трехфазный асинхронный двигатель продолжает функционировать (под малой нагрузкой) даже если во время работы от него отключить подачу энергии по одному из питающих проводов, сымитировав таким образом работу от однофазной сети. Это обусловлено тем, что результирующее магнитное поле сохраняет вращение.

Двухфазный асинхронный двигатель

Создать вращающееся магнитное поле можно и при использовании двухфазных обмоток. Для обеспечения работоспособности схемы фазы обмоток необходимо расположить с 90˚ смещением друг от друга. При их питании токами, которые смещены по фазе на 90˚, возникает вращающееся магнитное поле, как и в трехфазной машине.

Асинхронный двухфазный электродвигатель приводится в движение за счет токов, образуемых при взаимодействии результирующего поля с роторными стержнями. Он ускоряется до того момента, пока не будет достигнута предельная скорость его вращения. Для питания такого двигателя от электросети однофазного тока необходимо создать сдвиг по фазе на одной из обмоток. Для этого применяются конденсаторы необходимой ёмкости.

На сегодняшний день все большее применение находят двухфазные асинхронных двигатели с полым алюминиевым ротором. Вращение ему придают вихревые токи, образованные внутри цилиндра, при взаимодействии с вращающимся магнитным полем.

Инерционный момент ротора наделяет двигатель хорошими характеристиками для использования в некоторых специализированных отраслях, как, например, системы, регулирующие работу мостовых и компенсационных схем. Одна из обмоток в них подключается к питающей сети через конденсатор, а через вторую проходит управляющее напряжение.

Схемы подключения

Для того чтобы подключить трехфазный асинхронный двигатель используют несколько различных схем, но чаще всего применяются «треугольник» и «звезда».

Треугольник

Преимущество данной схемы заключается в том, что при подключении согласно ей трехфазный двигатель может развивать наибольшую номинальную мощность. Для этого обмотки соединяются по принципу конец-начало, что на схематичном изображении похоже на треугольник, однако в виде треугольника понять что к чему, не всегда удобно. По этому предлагаем для анализа схему снизу, а затем фотографию уже в сборе (еще ниже).

схема подключения

В трехфазных электрических сетях величина линейного напряжения между выводами обмоток составляет 380 В. При этом нет необходимости создания рабочего нуля. Важно отметить, что в такой схеме может возникнуть большой пусковой ток, значительно перегружающий проводку.

Звезда

Этот способ подключения является наиболее используемым в сетях с трехфазным током 380 В. Название схемы связано с тем, что концы обмоток соединяются в одной точке, словно звездные лучи. Начала обмоток подключаются посредством аппаратуры коммутации к фазным проводникам. В такой конструкции линейной напряжение между начал составляет 380 В, а между местом соединения и подключения проводника – 200 В. Ниже представлена схема, а еще ниже уже фотография в собранном виде.

схема подключения

Трехфазный двигатель для 380 В сетей, подключенный таким образом, не способен развить максимальную силу из-за того, что напряжение на каждой обмотке составляет 220 В. В свою очередь, такая схема предотвращает возникновение перегрузок по току, чем обеспечивается плавный пуск.

Возможность подключения двигателя тем или иным способом, как правило, указывается на его табличке. Значок Y означает «звезду», а ∆ — «треугольник». Определить схему на уже подключенной машине можно по виду обмоток – одна двойная перемычка между ними говорит, что использована «звезда» (первое фото снизу), а если между клеммами обмоток видно три перемычки – «треугольник» (первое фото сверху).

Асинхронный двигатель, треугольник в сборе

Асинхронный двигатель, звезда в сборе

В случае, когда необходимо запустить трехфазный асинхронный электродвигатель в обратном направлении вращения, следует поменять два питающих провода от трехфазного источника местами.

Функциональные и эксплуатационные особенности

Характерные преимущества асинхронных двигателей:

  • В их конструкции нет коллекторных групп, которые увеличивают износ других видов двигателей за счет дополнительного трения.
  • Питание асинхронных электрических машин не требует использования преобразователей и может осуществляться промышленной трехфазной сети.
  • Из-за меньшего количества деталей и конструктивных элементов они относительно легко обслуживаются и имеют большой срок службы.

Среди недостатков можно отметить:

  • Сфера применения асинхронных двигателей несколько ограничена из-за малого пускового момента.
  • Высокая реактивная мощность, которую они потребляют во время работы, не оказывает влияние на механическую мощность.
  • Большие пусковые токи, потребляемые на пуске этих двигателей, могут превышать допустимые значения некоторых систем.

Как производятся расчеты

Для того чтобы вычислить частоту вращения двигателя следует воспользоваться определенной нам ранее формулой скольжения:

формула скольжения

И выразить из нее скорость вращения ротора:

скорость вращения ротора

В качестве примера возьмем двигатель модели АИР71А4У2 мощностью в 550 Вт с 4 парами полюсов и частотой вращения ротора 1360 об/мин.

При питании от сети с частотой 50 Гц статор будет вращаться со скоростью:

скорость вращения

Таким образом, величина скольжения электродвигателя составляет:

 величина скольжения электродвигателя составляет

И, наконец, прекрасное, хотя и устаревшее, видео рекомендуемое всем для одноразового просмотра.

Источник