Практически на каждом предприятии работают электродвигатели. Они вращают насосы, приводят в движение конвейеры, поднимают грузы, качают воду, обеспечивают работу вентиляции и станков.
Мы настолько привыкли к ним, что редко задумываемся о самом главном вопросе. Как вообще электричество превращается во вращение?
На первый взгляд это выглядит почти как магия. В двигатель заходит электрический ток, а из него начинает вращаться вал, который может двигать многотонное оборудование. На самом деле никакой магии здесь нет. Есть физика, причём довольно красивая.
С чего всё начинается
Когда на электродвигатель подаётся напряжение, по его обмоткам начинает течь электрический ток.
Если вспомнить школьный курс физики, то любой проводник с током создаёт вокруг себя магнитное поле. Поэтому сразу после подачи питания внутри двигателя появляются магнитные поля. Именно они являются главным действующим лицом всей истории.
Электричество само по себе ничего не вращает. Вращает магнитное поле.
Что находится внутри двигателя
Если разобрать обычный асинхронный двигатель, внутри можно увидеть две основные части.
Неподвижная часть называется статором. Именно в ней расположены обмотки, к которым подключается питание. В центре находится ротор — вращающаяся часть двигателя, насаженная на вал. Снаружи всё выглядит довольно просто. Но самое интересное начинается именно после подачи напряжения на обмотки статора.
Магнитное поле начинает вращаться
Вот здесь многие удивляются.
Казалось бы, обмотки статора неподвижны. Значит и магнитное поле должно стоять на месте. Но в трёхфазном двигателе происходит совсем другое. Три фазы питания поступают на разные обмотки не одновременно, а со сдвигом по времени. В результате магнитное поле начинает не просто появляться, а вращаться вокруг ротора. Фактически внутри двигателя возникает невидимый магнитный вихрь.
Для двигателя с частотой сети 50 Гц это поле вращается с весьма серьёзной скоростью - например около 3000 оборотов в минуту для двухполюсного двигателя или около 1500 оборотов для четырёхполюсного. Получается, что внутри двигателя уже что-то вращается ещё до того, как начал двигаться сам вал.
Почему начинает вращаться ротор
Представьте, что рядом с вами пробежал человек и зацепил вас за рукав. Скорее всего вы непроизвольно сделаете шаг вслед за ним.
С ротором происходит похожая история. Вращающееся магнитное поле статора постоянно воздействует на проводники ротора и создаёт в них электрический ток. Этот ток, в свою очередь, создаёт собственное магнитное поле. Два магнитных поля начинают взаимодействовать друг с другом.
В результате ротор получает вращающий момент и начинает догонять магнитное поле статора. Именно в этот момент электрическая энергия превращается в механическую. То есть двигатель не "крутится от электричества". Он крутится благодаря взаимодействию магнитных полей, которые возникли из-за электрического тока.
Почему двигатель никогда не догоняет магнитное поле
Здесь появляется ещё одна интересная особенность.
Многие думают, что если магнитное поле вращается со скоростью 1500 оборотов в минуту, то и вал двигателя должен вращаться ровно с такой же скоростью. Но это не так. На практике двигатель всегда вращается немного медленнее. Например, вместо 1500 оборотов вал может выдавать 1450 или 1470 оборотов в минуту. Почему?
Потому что если ротор полностью догонит магнитное поле, исчезнет разница скоростей между ними. А значит перестанет наводиться ток в роторе и пропадёт вращающий момент.
Получается своеобразный парадокс. Чтобы двигатель продолжал работать, ему необходимо всё время немного отставать от магнитного поля. Это явление называется скольжением. Именно поэтому двигатель получил название "асинхронный" - его скорость не синхронна скорости вращения магнитного поля.
Откуда берётся сила двигателя
Чем сильнее нагрузка на валу, тем сильнее ротор начинает отставать от магнитного поля. Из-за этого в роторе возникает больший ток, усиливается взаимодействие магнитных полей и двигатель создаёт больший момент.
Получается своеобразная система саморегулирования. Если нагрузка увеличилась, двигатель автоматически начинает развивать большее усилие. Именно поэтому асинхронные двигатели получились настолько надёжными и популярными. В большинстве случаев им не нужны сложные датчики или системы управления для поддержания работы.
А где здесь частотный преобразователь
Теперь становится понятно, почему частотный преобразователь способен регулировать скорость двигателя. Мы уже знаем, что скорость вращения магнитного поля зависит от частоты питающего напряжения.
Если частотник вместо 50 Гц подаст 25 Гц, магнитное поле начнёт вращаться примерно в два раза медленнее. Вместе с ним замедлится и ротор. Если увеличить частоту до 60 или 70 Гц, магнитное поле начнёт вращаться быстрее, а двигатель увеличит обороты.
Получается, что частотный преобразователь управляет двигателем не напрямую, а через управление скоростью вращения магнитного поля внутри статора.
Вывод
Каждый электродвигатель можно представить как устройство для преобразования электричества в магнитное поле, а магнитного поля - во вращение.
После подачи питания внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. Оно воздействует на ротор, заставляя его следовать за собой. В результате появляется вращающий момент на валу и двигатель начинает выполнять полезную работу.
Со стороны всё выглядит очень просто: подключили питание - вал закрутился. Но внутри в этот момент происходит сложный и удивительно красивый процесс взаимодействия электрических токов и магнитных полей.
Именно благодаря этому принципу сегодня работают миллионы электродвигателей по всему миру - от небольшого насоса на даче до мощнейших приводов на промышленных предприятиях.