Как работает трехфазный асинхронный двигатель?

В асинхронном двигателе роль клочка сена играет магнитное поле, которое «бежит» по кругу, вырабатываемое совершенно неподвижными катушками статора. А роль ишачка играет ротор, который гонится за этим полем.

Ну а как только ишачок побежал, главная задача — научиться им управлять. И задача эта не из легких.

Бегущее магнитное поле

Статор асинхронных двигателей, подключаемых к трехфазной сети, состоит из трех электромагнитов. На них подается напряжение разных фаз сети. А так как разные фазы работают — нарастают и уменьшаются — со сдвигом во времени друг от друга, аналогично будет нарастать и уменьшаться магнитное поле в катушках. Сначала поле возникнет и будет расти в катушке 1 фазы, через одну треть периода точно так же возникнет и будет возрастать поле во второй фазе, а поле в первой при этом постепенно и плавно, по синусоиде, сначала перестанет нарастать, а потом начнет уменьшаться. Все повторится и для катушки третьей фазы — поле появится, будет возрастать, тогда как поле во второй сначала остановит свой рост, потом пойдет на спад. А в это время поле в первой фазе уже дойдет до нуля и будет возрастать в отрицательную сторону.

Трехфазные асинхронные двигатели, разрез

1 – вал ротора (сталь); 2 – обмотка статора (медный эмалированный провод);
3 – сердечник статора (электротехническая сталь, сплав железа и кремния);
4 – проводники ротора (алюминий); 5 – сердечник ротора (эл. т. сталь);
6 – крыльчатка вентилятора (алюминий);
7 – литой корпус двигателя (сталь)

Образование бегающего по кругу вектора магнитного поля
На каждой фазовой катушке статора от трехфазного напряжения, изменяющегося синусоидально со сдвигом каждой фазы относительно другой на 120°, возникает такая сила индукции, что результирующий вектор направления магнитного поля начинает бегать по кругу с угловой скоростью, равной частоте напряжения в трехфазной сети

Если в статоре сделать только три обмотки, по числу фаз в питающем напряжении, то магнитное поле будет вращаться с той же частотой, что и напряжение, то есть 50 раз за одну секунду. Но на практике их делают гораздо больше.

Тогда бегающее по кругу поле будет иметь частоту вращения меньше, но вращение при этом станет более плавным.

Поведение ротора в бегущем магнитном поле

«Обмотки» ротора представляют собой проводники, расположенные «почти» параллельно валу ротора и набранные по кругу в виде «беличьей клетки». Это не обмотки, так как там ничего не намотано, а проводники, воткнутые в два металлических круга. То есть через эти металлические круги, накоротко замкнутые.

«Беличья клетка» является замкнутой накоротко обмоткой, которая заполнена пакетом-сердечником, набранным из поперечных тонких пластин из электротехнической стали

Когда на ротор воздействует внешнее изменяющееся магнитное поле статора, в роторе наводятся кольцевые токи, которые, в свою очередь, создают магнитное поле. Это поле, усиленное сердечником, направлено так, что ротор начинает вращаться вслед за бегущим магнитным полем статора. Вращение направлено в направлении «догнать» убегающую волну. Ротор разгоняется, но, по мере того, как он будет догонять волну статора, наводки в нем будут все меньше и меньше. Он начнет «приотставать» (от силы трения или от силы сопротивления механической нагрузки на вал ротора), но усиливающаяся от этого в нем индукция снова толкает ротор к вращению. Такой принцип порождает некоторое рассогласование частот: частота напряжения, которая является причиной движения ротора, не изменяется во времени — стабильно 50 герц, а частота вращения то догоняет, то отстает. Такие несоответствия могут быть незаметны там, где частота не очень важна, но из-за них двигатель и называется асинхронным.

Все мы это прекрасно видели и слышали, когда включали вентилятор. Он сначала набирает скорость, хорошо «берется за дело». Только потом как-то слегка «проваливается» — крутится по инерции, но опять «спохватывается» и «поддает газу».

Идеальный случай вращения в таком двигателе — это когда совсем нет трения и сопротивления, это холостой ход такого мотора. Тогда скорость определяется формулой вращения самого бегущего поля от статора

Здесь n_r – скорость вращения в оборотах в минуту,
f_u – частота питающего напряжения,
p – число катушек статора в каждой фазе.

Например, если, как нарисовано на картинке с красной стрелочкой вращения поля статора, в статоре три катушки, то есть по одной на каждую фазу, то получим

n_r = 60 50/1 = 3000 (об./мин) или 50 об./с. То есть скорость вращения равна частоте напряжения в сети. Увеличением количества обмоток в статоре можно добиться снижения скорости вращения

Во многих случаях точная частота вращения двигателя действительно не так важна, поэтому электродвигатели асинхронные трехфазные находят широкое применение.

Трехфазные электродвигатели имеют и другой недостаток: циклические токи ротора вызывают его непрерывный разогрев, поэтому и делают кольцевые металлические пластины с ребрами для охлаждения воздухом при вращении.

Схемы и способы подключения

Так как есть несколько обмоток внутри двигателя — обмотки статора, — и сеть переменного тока бывает однофазной, а бывает трехфазной, то и схема включения всего этого хозяйства допускает вариации.

Обмоток на статоре обычно три. Ну а если их больше, то все равно обмотки каждой фазы внутри уже соединены последовательно. То есть в качестве выходных клемм максимум может быть 6. И их подсоединить к сети можно по-разному. Систем обозначений клемм две. На старых обозначались буквами С и цифрами 1,2,3 — начала обмоток; цифрами 4,5,6 — концы обмоток. В новых обозначениях для разных обмоток употребляются буквы U, V, W, а для начал и концов цифры 1 и 2 соответственно.

Как подключить двигатель по схеме «звезда»

При соединении обмоток по типу «звезда» концы обмоток нужно объединить, а на клеммы начала обмоток подать напряжения фаз из сети.

Здесь использованы обозначения клемм электродвигателей трехфазных, применяемые на схемах, старые и новые

При подключении типа «звезда» нулевой провод из сети желательно подавать на общую клемму двигателя. Это защитит его от порчи в случае перекоса фаз в сети.

Как подключить электромотор по схеме «треугольник»

Подключить трехфазный двигатель обмотками в «треугольник» в сеть переменного тока не сложнее. Надо начало одной обмотки соединять с концом следующей. И еще все начала подключить к фазным проводам переменного тока.

Два эти подключения — «звезда» и «треугольник» — в сети дают разные результаты по токам и мощностям. В «звезде» на каждую обмотку подано фазное напряжение 220 В, а две обмотки вместе нагружены линейным напряжением в 380 В. Протекающие в обмотках токи при этом меньше, чем при конфигурации «треугольник». Отсюда и работа отличается: «звезда» дает мягкий запуск, но при работе развивает меньшую мощность, чем «треугольник». Зато «треугольник» при запуске дает большие стартовые токи, превышающие номинал раз в 7–8.

Чтобы сочетать преимущества обеих конфигураций, коммутацию делает особая схема. Она при запуске двигателя коммутирована как «звезда», а при достижении определенной мощности переключается в вариант «треугольник». В этом случае (и в других случаях с постоянными подключениями обмоток), на входном клеммнике оставляют только 3 или 4 клеммы, и вариантов по переключению обмоток по своему усмотрению не остается. В этом случае просто подключаются фазы в нужном порядке.

Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть

Трехфазное напряжение нашей сети можно представить как одну и ту же фазу, только повторенную еще два раза со сдвигом, сначала на 120°, потом плюс еще на столько же, то есть в результате на 240°. И такое напряжение вполне схематически посильно «добыть» из одной выделенной фазы. Однако когда мы запускаем «бегущее поле» статора, совсем не обязательно делать его именно с таким сдвигом между поданными на обмотки фазами. Потому что увеличение количества полюсов в обмотках проявляется как уменьшение скорости вращения, но механизм работает. Поэтому разработаны простые схемы получения сдвинутых фаз из однофазной линии не под таким углом, а под 90°. Это можно сделать простой схемой, дающей подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть с применением одного конденсатора. Результатом является снижение мощности двигателя. При маркировке двигателей, которые можно использовать в однофазной сети 220 В и в сети 380 В трехфазной, так и пишется — двигатель 220/380, а который предназначен для работы только в трехфазной — двигатель 380.

Схема подключения «звезда» в этом случае дает потерю мощности, поэтому для более полного использования двигателя при подключении к однофазному напряжению чаще применяют «треугольник».

Устройство и принцип работы трехфазных асинхронных двигателей

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора и ротора. Три обмотки размещены в пазах на внутренней стороне сердечника статора асинхронного двигателя. Обмотка же ротора асинхронного двигателя не имеет электрического соединения с сетью и с обмоткой статора. Начало и концы фаз обмоток статора присоединяют к зажимам в коробке выводов по схеме звезда или треугольник.

Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора, который бывает двух типов: фазный или короткозамкнутый. Обмотка короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя выполняется на цилиндре из медных стержней и называется «беличьей клеткой». Торцевые концы стержней замыкают металлическими кольцами. Пакет ротора набирают из электротехнической стали. В двигателях меньшей мощности стержни заливают алюминием. Фазный ротор и статор имеют трехфазную обмотку. Фазы обмотки соединяют звездой или треугольником и ее свободные концы выводят на изолированные контактные кольца.

Получение вращающегося магнитного поля

Обмотка статора асинхронного двигателя в виде трех катушек уложена в пазы расположенные под углом в 120 градусов. Начало и конца катушек обозначаются соответственно буквами A, B, C и X,Y,Z. При подаче на катушки трехфазного напряжения в них установятся токи Ia, Ib, Ic и катушки создадут собственное переменное магнитное поле. Ток в любой катушке положительный, когда он направлен от начала к ее концу и отрицательный при обратном направлении. Векторы намагничивающей силы совпадают с осями катушек, а их величина определяется значениями токов, направление результирующего вектора совпадает с осью катушки. Вектор результирующей намагничивающей силы поворачивается на 120 градусов сохраняя величину совпадает с осью соответствующей катушки. Таким образом за период, результирующее магнитное поле статора совершает оборот с неизменной скоростью. Работа трехфазного асинхронного двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами наводимыми в проводниках ротора.

Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

Совокупность моментов созданных отдельными проводниками образует результирующий вращающий момент двигателя, возникает электромагнитная пара сил, которая стремится повернуть ротор в направлении движения электромагнитного поля статора. Ротор приходит во вращение приобретает определенную скорость, магнитное поле и ротор вращаются с разными скоростями или асинхронно. Применительно к асинхронным двигателям, скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля статора.

Пуск асинхронных двигателей

В асинхронных двигателях с большим моментом инерции необходимо увеличение вращающего момента с одновременным ограничением пусковых токов — для этих целей применяют двигатели с фазным ротором. Для увеличения начального пускового момента в схему ротора включают трехфазный реостат. В начале пуска он введен полностью, пусковой ток при этом уменьшается. При работе реостат полностью выведен. Для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют три схемы: с реактивной катушкой, с автотрансформатором и с переключением со звезды на треугольник. Рубильник последовательно соединяет реактивную катушку и статор двигателя. Когда скорость ротора приблизится к номинальной, замыкается рубильник, он закорачивает катушка и статор переключаются на полное напряжение сети. При автотрансформаторном пуске по мере разгона двигателя, автотрансформатор переводится в рабочее положение, в котором на статор подается полное напряжение сети. Пуск асинхронного двигателя с предварительным включением обмотки статора звездой и последующим переключением ее на треугольник дает трехкратное уменьшение тока.

Изменение частоты вращения ротора трехфазного асинхронного двигателя

Параллельные обмотки двух фаз образуют одну пару полюсов сдвинутые в пространстве на 120 градусов. Последовательное соединение обмоток образует две пары полюсов, что дает возможность уменьшить скорость вращения в два раза. Для регулирования скорости вращения ротора изменением частоты тока используют отдельный источник тока или преобразователь энергии с регулируемой частотой выполненный на тиристорах.

Способы торможения двигателей

При торможении противовключением меняются два провода соединяющих трехфазную сеть с обмотками статора, изменяя при этом направление движения магнитного поля машины. При этом наступает режим электромагнитного тормоза. Для динамического торможения обмотка статора отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного тока. Неподвижное поле статора заставляет ротор быстро останавливаться. Асинхронные двигатели нашли широкое применение в промышленности. В строительных механизмах, на металлообрабатывающих станках, в кузнечно-прессовом оборудовании, в силовых приводах прокатных станов, в радиолокационных станциях и многих других отраслях.

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.