Принцип работы электродвигателей. Основные понятия.
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 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.
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.
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.
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:
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.
Трёхфазный переменный ток
Смена полюсов
На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.
Питание в сети переменного тока
Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.
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.
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.
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.
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.
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.
Статор элетродвигателя
Ротор элетродвигателя
В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.
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.
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).
Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.
Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.
Синхронная частота вращения для различного количества полюсов
Асинхронный двигатель – электрическая машина, работающая в двигательном режиме, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора и зависит также от нагрузки. Основа работы электродвигателя – преобразование электрической энергии в механическую. Трехфазный асинхронный электродвигатель был разработан и впервые создан в 1889 году русским ученым-электротехником М.О. Доливо-Добровольским. Совместно с разработкой двигателя Михаил Осипович разработал и осуществил впервые в мире в 1891 году систему передачи трехфазного тока на расстояние.
Строение асинхронного двигателя
Для того, чтобы разобраться в теории работы двигателя, нам надо рассмотреть из чего же он состоит.
На самом же деле асинхронный двигатель состоит из трех частей (слева-направо): ротора, статора и корпуса, но главными частями считаются именно ротор и статор, о которых мы с вами и поговорим.
Статор асинхронного двигателя
Статор асинхронного двигателя представляет из себя сердечник, состоящий из пластин электротехнической стали и содержащий в себе медные обмотки, которые определенным образом уложены в пазах статора.
Как было упомянуто, сердечник статора состоит из пластин, которые изолированы друг от друга. С внутренней стороны статора есть пазы
в которые укладывается изоляция
Далее в эти пазы наматывается медный лакированный провод определенным образом, который представляет из себя обмотки статора
Асинхронный двигатель имеет три «куска» медного провода
Которые определенным образом уложены в пазы статора под углом в 120 градусов друг относительно друга.
Все 6 концов обмоточных проводов выведены в клеммную коробку, которая находится на корпусе двигателя.
Статор двигателя, а точнее, размеры сердечника, количество катушек в каждой обмотке и толщина моточного провода из которого намотаны катушки определяют основные параметры двигателя. Например, от числа катушек в каждой обмотке зависит номинальное число оборотов двигателя, а от толщины провода, которым они намотаны, зависит номинальная мощность двигателя. Количество обмоток для трехфазного асинхронного двигателя всегда равно трем. А вот количество катушек в каждой из этих обмоток разное. Катушки могут наматывать в один или два провода. Учитывая, что номинальное число оборотов двигателя обратно пропорционально номинальной нагрузке, можно смело сказать, что скорость вращения вала асинхронного двигателя будет уменьшаться при увеличении нагрузки. Если при работе двигателя начнут уменьшаться его обороты из-за роста нагрузки, то не остановка этого процесса может привести к полной остановке двигателя. Двигатель начнет сильно гудеть, вал ротора не будет крутиться – возникнет сильный нагрев катушек, с последующим разрушением изоляции моточного провода, что приведет к короткому замыканию и возгоранию обмоток.
Реальное фото статора одного из асинхронного двигателя выглядит вот так.
Ротор асинхронного двигателя
Давайте более подробно рассмотрим, из чего же состоит ротор асинхронного двигателя.
Самая главная часть — это вал. Иначе, как бы происходило вращение?
На вал ротора с двух сторон надеваются подшипники, которые крепятся к передней и задней крышкам и центруют ротор ровно посередине статора.
Далее идет сердечник, набранный из листов специальной электротехнической стали, которые изолированы друг от друга. Кстати, сетевые трансформаторы собираются из такой же стали.
Как вы можете далее заметить, в сердечнике ротора есть специальные пазы
В них вставляются медные или алюминиевые стержни,
которые замыкаются на кольцо с обеих сторон, образуя так называемую «беличью клетку».
В общем виде полностью собранный ротор асинхронного двигателя выглядит вот так.
А вот так он выглядит в реальном двигателе.
Всегда помните, что в асинхронном двигателе вращается ротор, а не статор. Статор — это неподвижная часть, а ротор — подвижная часть электродвигателя. В рабочем состоянии двигателя между ротором и статором всегда имеется воздушный зазор. При работе двигателя ротор ни в коем случае не должен задевать статор двигателя.
Информационная табличка на двигателе (шильдик)
Полную и достоверную информацию о двигателе можно узнать, если уметь «читать» шильдик. Точнее то, что на нем написано. Начнем описание шильдика рассматриваемого двигателя сверху вниз.
Способы подключения асинхронного двигателя
Как мы уже с вами узнали, асинхронный двигатель имеет три обмотки. На современный манер они обозначаются английскими буквами U,V,W. Начало каждой обмотки обозначается цифрой «1», а конец обмотки цифрой «2».
Поэтому, есть два способа соединения обмоток: звездой и треугольником.
Способ соединения «звезда»
Способ «звезда» подразумевает соединение одинаковых выводов обмоток (начала или концы обмоток) в одну (нулевую) точку.
В клеммной коробке двигателя это соединение будет иметь такой вид.
Как вы видите, в этом случае с помощью железных пластин мы закоротили концы обмоток в одну общую точку.
Соединение таким способом практикуется, в основном, на двигателях промышленного назначения. Часто завод-изготовитель, для таких двигателей, которые не будут реализовываться через розничную сеть, производит соединение «звездой» уже внутри статора. На корпус двигателя выводится не 6 клемм, а 3. В этом случае достаточно просто подать трехфазное напряжение. Поэтому, помните: если вы увидите, что у асинхронного двигателя только 3 провода, это значит, что его обмотки уже соединены по типу «звезда».
Способ соединения «треугольник»
Соединение «треугольник» выполняется по схеме: конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец второй – с началом третьей, а конец третьей – с началом первой. В места соединения подается питающее трехфазное напряжение.
В двигателе это будет выглядеть вот таким образом.
Восстановление маркировки обмоток
Если точнее, маркировка обмоток нужна только для определения направления намотки катушек обмотки. Конец и начало обмотки обозначают только с этой целью. Дело в том, что при включении обмотки в работу в ней начинают возникать вихревые токи, которые движутся по направлению «от начала к концу». Если обмотки включить по принципу «начало с началом, конец с концом», то токи суммируются, обмотки превратятся в один большой резистор и возникнет огромный суммарный ток. Двигатель начнет сильно гудеть и не будет вращаться. Очень быстро начнут нагреваться обмотки, и двигатель сгорит. Причем, вполне возможно, вспыхнет настоящее пламя оранжево-синего цвета с очень вредным и неприятным запахом.
Существует способ определения концов и начал обмоток.
Весь этот процесс очень хорошо показан на видео. Автор этого видео использовал для проверки сетевое напряжения в 220 Вольт, что я крайне не рекомендую делать. Используйте понижающие трансформаторы, либо автотрансформатор.
Подключение асинхронного двигателя к трехфазной сети
Остановимся более подробно на подключении двигателя. Завод-производитель, как правило, маркирует не только клеммы в клеммной коробке, но и концы проводов. В реальности это либо алюминиевые скобки, либо пластиковые или картонные бирки с номером провода. Обмотки в современных двигателях указывается, как U, V, W. Начало обмоток цифрой «1», а конец — цифрой «2». Как вы уже знаете, асинхронный двигатель может быть включен по схеме «звезда», а также по схеме «треугольник». В 90% случаев используется именно подключение «звезда».
Итак, у нас обмотки двигателя соединены по схеме «звезда». Куда же нам подать напряжение, чтобы двигатель начал свое вращение?
Оказывается, все просто. Так как в трехфазной сети у нас в основном 4 провода ( Фаза A, Фаза B, Фаза C, Земля), то соответственно, мы должны задействовать все 4 провода.
Есть также небольшой нюанс при подключении асинхронного двигателя к трехфазной сети. Допустим, если мы подключили двигатель по схеме выше, то у нас вал будет вращаться в одну сторону, допустим, по часовой стрелке.
Но если мы поменяем две любые фазы местами, то двигатель начнется вращаться в противоположном направлении. Такой эффект называется реверсивным включением асинхронного двигателя.
Все то же самое касается и при подключении асинхронного двигателя по схеме «треугольник». Имейте ввиду, что при включении двигателя в этом режим, мы на шильдике должны посмотреть допустимое напряжение, на которое рассчитан этот двигатель по схеме соединения «треугольник». Если по схеме «звезда» мы можем подать на такой двигатель питание 380 Вольт, то по схеме «треугольник» только 220 Вольт.
Подключение асинхронного двигателя к однофазной сети
Обратимся к конструкции трехфазного асинхронного двигателя. Как мы знаем, рабочих фаз двигателя – 3, и клемм для их подключения тоже 3. А в однофазной бытовой сети 220 Вольт проводов всего два – фаза и ноль. Что подключить на третью клемму двигателя? Если на нее подключить ответвление от любого из этих двух проводов, то мы получим просто короткое замыкание со всеми вытекающими последствиями.
Выходом является подключение такого ответвления через конденсатор. Слово «конденсатор» переводится на русский язык как «накопитель». Как известно, работает он по принципу «заряд-разряд». То есть, включенный в сеть конденсатор, какое-то время накапливает заряд, а потом, разряжаясь, отдает его обратно в сеть. Времени, в течение которого конденсатор накапливает заряд, вполне достаточно для того, чтобы фаза, от которой он питается, «ушла» вперед, сдвинулась по времени. Сдвинувшись, фаза как бы «освобождает место» для того разряда, который выдаст конденсатор, и исключает возможность «короткого» замыкания. Из-за того, что своей работой конденсатор «сдвигает» фазы, он называется фазосдвигающим. Более подробно про работу конденсатора в цепи переменного тока можно прочитать в этой статье. Таким образом, создается третий провод необходимый для подключения двигателя.
Схемы подключения к однофазной сети
Здесь все достаточно просто. Мы должны соединить конденсатор между двумя фазами. В схеме со звездой это будет выглядеть вот так.
Для того, чтобы поменять вращение двигателя, нам надо просто поменять местами фазу (L) и ноль (N) местами.
Ну и все то же самое касается и со схемой подключения «треугольник».
Как выбрать конденсатор
Вполне может быть так, что полученное значение окажется промежуточным. То есть таким, на которое конденсаторы не выпускаются. Например, для сети 220 В, по формуле получится 311,13 В. На такое напряжение конденсаторы не выпускались. Тогда конденсатор подбирается на ближайшее значение в большую сторону. В нашем случае можно взять конденсатор на 380 Вольт и больше.
Расчет емкости конденсатора
Расчет емкости конденсатора производится по формуле, в которой учитывается схема соединения обмоток двигателя. Дело в том, что при расчете емкости учитывается не только рабочее напряжение сети, но и ток, протекающий по обмоткам двигателя. Большую роль играет и тот факт, что во время запуска двигателя, в обмотках возникает так называемый пусковой ток, который намного больше рабочего тока двигателя. А так как рабочий ток двигателя зависит от схемы включения обмоток, то естественно, и пусковой ток будет тоже зависеть от этой схемы.
Итак, формула расчета конденсатора:
С – искомая емкость конденсатор, мкФ
К – коэффициент, зависящий от схемы подключения обмоток
IН – номинальный ток двигателя, Амперы
U – напряжение сети, Вольты
Коэффициент К будет равен 4800 при соединении обмоток «треугольником», и 2800 – при соединении «звездой». В качестве примера, можно рассчитать емкость для рассматриваемого здесь двигателя, взяв необходимые данные с его шильдика.
Соединение «треугольник»: С = 2,3 × 4800/220 = 50,2. Полученное значение оказалось дробным, поэтому округлим его до целого в большую сторону. Итак, нам нужен конденсатор емкостью 51 мкФ на напряжение 380 В.
Выбор типа конденсатора
Конденсатор, емкость и рабочее напряжение, которого мы определили, должен быть подходящего типа. Как известно, конденсаторы разделяются на два типа: полярные и неполярные. Полярные имеют обозначение «+» и «-» на выводах и применяются в цепях постоянного тока. Неполярные обозначений на выводах не имеют и работают в любых цепях. Кроме того, по способу изготовления они разделяются на электролитические и не электролитические. Электролитические конденсаторы применяются в основном, в радиотехнике и электронике, и чаще всего, бывают полярными. Они в качестве фазосдвигающих не годятся, даже если подходят по емкости и напряжению. Лучшие конденсаторы для работы с двигателями – металлобумажные. Это один из видов неполярных конденсаторов. Пригодные марки – МБГЧ, МБН, К42-19.
Итак, конденсатор подобран и подключен, обмотки собраны правильно, провода присоединены к клеммам – включаем двигатель в сеть и понимаем, что он не развивает ту мощность, которая указана на шильдике. Это – нормально. Таковы законы индуктивности и электродинамики – об этом нужно помнить. Трехфазный двигатель, подключенный к однофазной сети через конденсатор, развивает не более 60-65% от номинальной мощности.
Теория и подключение пускового конденсатора
Выше по тексту, уже было сказано, что во время запуска двигателя возникает пусковой ток, намного превышающий рабочий ток двигателя. Поэтому, если мы оставим только рассчитанный нами конденсатор, мы не учтем наличие пускового тока. Двигатель будет трогаться очень медленно, наращивая обороты понемногу.
Для устранения этого эффекта, параллельно рабочему конденсатору подключают пусковой конденсатор. Все его характеристики должны были быть такими же, как у рабочего конденсатора, кроме емкости. Его емкость равна емкости рабочего конденсатора,умноженной на 2,5.
Подключается пусковой конденсатор параллельно рабочему. Время его включения – краткосрочное, только до того момента, когда двигатель наберет стабильные обороты. Как правило, подключают пусковой конденсатор через кнопку без фиксации. То есть, пока кнопку удерживают в нажатом состоянии, пусковой конденсатор подключен к клеммам двигателя.
Как проверить двигатель перед запуском
Перед тем, как запустить асинхронный двигатель в работу, желательно его проверить на работоспособность. С чего же начать?
Внешний осмотр двигателя. Проверьте, нет ли сколов, вмятин, покрутите вал двигателя. Он должен крутиться плавно и без рывков в обе стороны. Этим действием вы проверяете подшипники, на которых держится ротор двигателя. Если вал двигателя подклинивает, то на это могут быть несколько причин: разбиты посадочные места под подшипники, убитые подшипники, либо ротор затирает статор. Для того, чтобы выяснить причину, нужно будет полностью разобрать двигатель и выяснить реальную проблему. Если все ок, то двигаемся к следующему шагу.
Проверяем обмотки двигателя. Для этого берем мультиметр, ставим его на измерение сопротивления и проверяем сопротивление обмоток. Если обмотки подключены по схеме «звезда», то нам будет достаточно замерять сопротивление между клеммами, куда подается напряжение питания. Делается это в три этапа.
Во всех трех случаях сопротивление должно быть одинаково. Допускается отклонение в несколько Ом.
Этими тремя действиями мы проверили обмотки нашего двигателя и убедились, что они все целые.
И заключительный шаг. Проверяем, не звонятся ли обмотки на землю. Так как все обмотки так или иначе соединяются между собой, достаточно будет встать щупом мультиметра на любую из обмоток, а вторым щупом встать на корпус двигателя. Переключатель на мультиметре поставить на измерение МОм.
В идеале должно получиться бесконечно большое сопротивление, в реале от 100 МОм и выше. Если сопротивление очень маленькое, что то около 1-10 Ом, то это означает, что какая-то из обмоток двигателя звонится на землю, что категорически недопустимо. На практике если же сопротивление меньше 1 МОм, то надо выяснить причину и устранить ее. Скорее всего в двигатель попала влага, грязь, либо произошел пробой диэлектрика медного провода. В этом случае поможет только полная разборка и визуальное выяснение причины.
Все те же самые операции применяются и к двигателю со схемой подключения «треугольник».
Большинство материала для статьи «асинхронный двигатель» было взято из видео ниже. Обязательно к просмотру.
