В современной электротехнике из всех типов электродвигателей на переменном токе трехфазный двигатель получил наиболее широкое распространение. Такая популярность связана с его экономичностью и удобством в эксплуатации. Чтобы понять основную идею конструкции, основанной на применении трехфазного тока, и принцип работы двигателя с вращающимся магнитным полем, мы подготовили подробный материал.
В статье разобраны главные принципы работы трехфазных асинхронных двигателей, характеристики и различия в их устройстве.
Устройство (статор и ротор 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.
Где применяются
Трехфазные электродвигатели — довольно емкое понятие, включающее в себя разные виды по назначению, конструкции, и другим факторам электрических машин, делятся на три большие группы:
- общепромышленные (в свою очередь имеют очень много различных специальных исполнений на основе стандартной модификации);
- крановые (делятся по типу ротора: с фазным или короткозамкнутым);
- взрывозащищенные (тоже подразделяются на два основных типа: нефтехимические и рудничные).
Получение вращающегося магнитного поля
При наличии трехфазного тока, то есть системы трех токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на треть периода, очень легко получить вращающееся магнитное поле без механического вращения магнита и без всяких дополнительных устройств.
Вращающееся поле создается трехфазной системой токов, подводимых к обмоткам статора, которые могут быть соединены между собой либо звездой, либо треугольником. Если в такое вращающееся поле поместить металлическое кольцо (или, еще лучше, катушку), то в нем будут индуцироваться токи так же, как если бы кольцо (катушка) вращалось в неподвижном поле.
Взаимодействие магнитного поля с этими токами и создает силы, приводящие во вращение кольцо (катушку). В этом заключается основная идея трехфазного двигателя с вращающимся полем, впервые осуществленного М. О. Доливо-Добровольским.
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.
Вращающееся поле создается трехфазной системой токов, подводимых к обмоткам статора.
Принцип работы
Принцип работы двух и многофазных двигателей был разработан Николой Теслой и запатентован. Доливо-Добровольский усовершенствовал конструкцию электродвигателя и предложил использовать три фазы вместо двух, используемых Н. Теслой.
Принцип работы двух и многофазных двигателей был разработан Николой Теслой и запатентован. Доливо-Добровольский усовершенствовал конструкцию электродвигателя и предложил использовать три фазы вместо двух, используемых Н. Теслой.
Усовершенствование основано на том, что сумма двух синусоид равной частоты различающихся по фазе дают в сумме синусоиду, это дает возможность использовать три провода (в четвертом “нулевом” проводе ток близок к нулю) при трех фазной системе против четырех необходимых проводов при двухфазной системе токов.
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.
Вращающий момент двигателя создается силами взаимодействия магнитного поля и токов, индуцируемых им в роторе, а сила этих токов определяется относительной частотой вращения поля по отношению к ротору, который сам вращается в ту же сторону, что и поле.
Поэтому, если бы ротор вращался с той же частотой, что и поле, то никакого относительного движения их не было бы. Тогда ротор находился бы в покое относительно поля и в нем не возникала бы никакая индуцированная э. д. с., то есть в роторе не было бы тока и не могли бы возникнуть, силы, приводящие его во вращение. Отсюда ясно, что двигатель описываемого типа может работать только при частоте вращения ротора, несколько отличающейся от частоты вращения поля, то есть от частоты тока.
Поэтому такие двигатели в технике принято называть «асинхронными» (от греческого слова «синхронос» – совпадающий или согласованный во времени, частица «а» означает отрицание). Если машины, приводимые в действие двигателем, требуют иной частоты вращения, чем этот двигатель дает, то предпочитают применять зубчатые или ременные передачи с различными передаточными числами.
Само собой разумеется, что при возрастании нагрузки двигателя, то есть отдаваемой им механической мощности, должен возрастать не только ток в роторе, но и ток в статоре для того, чтобы двигатель мог поглощать из сети соответствующую электрическую мощность. Поэтому при работе с двигателями необходимо твердо соблюдать следующие правила:
- Необходимо всегда подбирать двигатель такой мощности, какую фактически требует приводимая им в действие машина.
- Если нагрузка двигателя не достигает 40 % нормальной, а обмотки статора включены треугольником, то целесообразно переключить их на звезду.
- Для того чтобы изменить направление вращения вала двигателя на обратное, необходимо поменять местами два линейных провода, присоединенных к двигателю. Это легко осуществить при помощи двухполюсного переключателя.
Это осуществляется автоматически вследствие того, что ток в роторе также создает в окружающем пространстве свое магнитное поле, воздействующее на обмотки статора и индуцирующее в них некоторую э. д. с. Связь между магнитным потоком ротора и статора, или, как говорят, «реакция якоря», обусловливает изменения тока в статоре и обеспечивает согласование электрической мощности, отбираемой из сети, с механической мощностью, отдаваемой двигателем.
Пуск
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.
При повреждении (пробое) изоляции станины и кожухи электрических машин и трансформаторов оказываются под напряжением относительно Земли. Прикосновение к этим частям машин может при таких условиях быть опасным для людей.
Для предупреждения этой опасности следует при напряжениях свыше 150 В относительно Земли заземлять станины и кожухи электрических машин и трансформаторов, то есть надежно соединять их металлическими проводами или стержнями с Землей. Это выполняется по специальным правилам, которые необходимо строго соблюдать во избежание несчастных случаев.
Трёхфазный двигатель приспособлен к трёхфазной сети, а к однофазной сети лучше подходит двухфазный двигатель со сдвигом фазы во второй обмотке либо через конденсатор (конденсаторные двигатели), либо через индуктивность.
Отличия подключения трехфазного асинхронного двигателя с одинарным или двойным напряжением иногда приводят к выходу из строя мотора – если не обратить внимание на то, какое напряжение верхнее, а какое нижнее, можно его подключить неправильно и он сгорит.
Трехфазные асинхронные электродвигатели до сто тридцать второго габарита включительно обычно бывают на напряжение двести двадцать на триста восемьдесят вольт, от сто шестидесятого габарита – триста восемьдесят на шестьсот шестьдесят вольт, но могут быть и другие варианты.
Когда мы включаем в сеть ненагруженный двигатель, то в первые моменты равно или близко к нулю, частота вращения поля относительно ротора велика и индуцированная в роторе э. д. с. соответственно также велика – она раз в 20 превосходит ту э. д. с., которая возникает в роторе при работе двигателя с нормальной мощностью. Ток в роторе при этом тоже значительно превосходит нормальный.
Изменение частоты вращения ротора
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.
Двигатель развивает в момент пуска довольно значительный вращающий момент, и так как инерция его сравнительно невелика, то частота вращения ротора быстро нарастает и почти сравнивается с частотой вращения поля, так что относительная частота их становится почти равной нулю и ток в роторе быстро спадает.
Для двигателей малой и средней мощности кратковременная перегрузка их при пуске не представляет опасности, при запуске же очень мощных двигателей (десятки и сотни киловатт) применяются специальные пусковые реостаты, ослабляющие ток в обмотке; по мере достижения нормальной частоты вращения ротора эти реостаты постепенно выключают.
По мере того, как возрастает нагрузка двигателя, частота вращения ротора несколько уменьшается, частота вращения поля относительно ротора возрастает, и вместе с тем растут ток в роторе и развиваемый двигателем вращающий момент.
Однако для изменения мощности двигателя от нуля до нормального значения требуется очень небольшое изменение частоты вращения ротора, примерно до 6 % от максимального значения. Таким образом, асинхронный трехфазный двигатель сохраняет почти постоянную частоту вращения ротора при очень широких колебаниях нагрузки.
Регулировать эту частоту в принципе возможно, но соответствующие устройства сложны и неэкономичны и потому на практике применяются очень редко. Если машины, приводимые в действие двигателем, требуют иной частоты вращения, чем этот двигатель дает, то предпочитают применять зубчатые или ременные передачи с различными передаточными числами.
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.
После отключения от сети электродвигатель продолжает движение по инерции. При этом кинетическая энергия расходуется на преодоление всех видов сопротивлений движению. Поэтому скорость электродвигателя через промежуток времени, в течение которого будет израсходована вся кинетическая энергия, становится равной нулю.
Такая остановка электродвигателя при движении по инерции называется свободным выбегом. Многие электродвигатели, работающие в продолжительном режиме или со значительными нагрузками, останавливают путем свободного выбега.
Для защиты двигателей от пропадания и перекоса (разницы напряжений) фаз питающего напряжения применяют реле контроля фаз, которые в этих случаях полностью отключают питание (с автоматическим или ручным дальнейшим включением). Возможна установка одного реле на группу двигателей.
Более грубой и универсальной защитой, обязательной по правилам эксплуатации и обычно достаточной при правильно подобранных параметрах, является установка трёхфазных автоматических выключателей (по одному на двигатель), которые отключают питание в случае длительного (до несколько минут) превышения номинального тока по любой из фаз, что является следствием перегрузки двигателя, перекоса или обрыва фаз.
Заключение
Надеемся, теперь вам полностью понятен принцип работы трехфазных асинхронных двигателей.
В завершение объемной статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:
ruaut.ru
megavattspb.ru
scask.ru
www.электродвигатель.net