Трехфазный асинхронный двигатель: все самое главное, что нужно знать
В электротехнике асинхронный двигатель является вращающейся электрической машиной для переменного тока.
Асинхронный двигатель использует вращающееся магнитное поле, генерируемое в статоре, для создания крутящего момента, чтобы вызвать электрический ток в роторе (передача энергии за счет электромагнитной индукции), и поэтому он должен иметь скорость немного ниже (выше для асинхронного генератора), чем скорость вращающегося магнитного поля (так называемое скольжение).
Большая разница по сравнению с двигателями постоянного тока и синхронными двигателями заключается в том, что на ротор не подается ток, а переменный ток проходит только через обмотку статора.
Трехфазный асинхронный двигатель — самый распространенный электродвигатель в мире, потому что он простой, экономичный, не требует обслуживания, вращается без дополнительных вспомогательных средств (в варианте с короткозамкнутым ротором во время его работы не возникает искр, поэтому он подходит для взрывоопасных сред, таких как шахты, газовые приборы и т. д.).
Однофазные варианты используются для более низких мощностей. Хотя они традиционно используются для работы на постоянной скорости, в настоящее время они используются с частотными преобразователями на разных скоростях (обычно для экономии электроэнергии).
Благодаря простой конструкции, прочности и возможности неискрящей конструкции, этот тип двигателя является наиболее распространенным на практике, он используется во многих областях промышленности, транспорта и домашнего хозяйства. Мощность асинхронных двигателей колеблется от нескольких ватт до многих сотен киловатт.
Два наиболее распространенных типа асинхронных двигателей: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.
Первые асинхронные двигатели были построены независимо несколькими изобретателями:
В 1887 году Никола Тесла подал патент на асинхронную машину, 5 мая следующего года — еще пять патентов.
В то же время Галилео Феррарис опубликовал трактат о вращающихся машинах.
В 1889 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрел первый трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Асинхронный двигатель General Electric, 25 лошадиных сил, 60 гц, 220 вольт, 70 ампер, 1911 год
Устройство
Каждый трехфазный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей.
Статор (неподвижная часть) — аналогичен для большинства типов. Он состоит из опорной рамы двигателя, подшипниковых щитов, фланца, ножек, набора пластин статора с вставленной в пазы обмотки статора.
Ротор (вращающаяся часть) — вал с запрессованными роторными (электротехническими) листами с пазами, в которые вставляются стержни обоймы ротора или проводники обмотки ротора. В пазы ротора вставляются голые медные, латунные или алюминиевые стержни, которые с обоих концов соединены короткозамыкающим кольцом.
Стержни с кольцами в виде «беличьей клетки». Клетка сваривается или отливается методом литья под давлением алюминия.
Кольцевой якорь в двигателе с фазным ротором — в пазы листов помещается обмотка ротора из изолированных проводов, которая соединяется звездой или треугольником. Обмотка ротора соединена с тремя кольцами. На кольца опираются три кольца угольных щеток, к которым может быть подключена цепь регулирующего ротора, чаще всего резисторы.
Конструкция трехфазного асинхронного двигателя
Обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя
Принцип работы
В основе работы асинхронной машины лежит создание вращающегося магнитного поля статора, которое создается за счет прохождения переменного трехфазного тока через обмотку статора.
Это магнитное поле индуцирует напряжение в обмотке ротора, а ток, генерируемый обмоткой ротора, индуцирует магнитный поток, который передается на статор. Связанный магнитный поток вызывает силу, действующую на ротор, и, следовательно, вращение ротора.
Скорость вращающегося поля статора, то есть синхронная скорость, определяется частотой напряжения питания и числом полюсов двигателя:
f — это текущая частота и p — количество пар полюсов (т.е. p : 1 = двухполюсный, 2 = четырехполюсный, 3 = шестиполюсный, 4 = восьмиполюсный и т. д.).
Скольжение
Асинхронная машина может прикладывать крутящий момент к выходному валу только в том случае, если скорость вращения магнитного поля статора отличается от механической скорости ротора из-за так называемого скольжения.
При ненулевом скольжении магнитный поток статора, связанный с потоком ротора, движется относительно ротора, переменный (переменный) связанный магнитный поток статора и ротора протекает через ротор, в обмотке ротора индуцируется напряжение, ток ротора потоков, роторная часть связанного магнитного потока машины отлична от нуля и крутящего момента.
Частота обмотки статора определяется частотой сети. Частота магнитного потока ротора и обмотки ротора отлична от нуля, определяется скольжением и отличается от частоты обмотки статора. Скольжение указывается в процентах и определяется как:
где, ns — «синхронная» скорость магнитного поля статора, n — механическая скорость ротора.
Номинальная скорость двигателя — это скорость, включая номинальное скольжение двигателя (оба значения указаны на паспортной табличке двигателя).
При нулевом скольжении, то есть при синхронной скорости машины, связанный магнитный поток статора и ротора не перемещается относительно ротора. Напряжение в обмотке ротора не индуцируется, ток ротора не течет, и крутящий момент не создается.
Крутящий момент
Крутящий момент обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротром задается в установившемся состоянии так называемым соотношением Клосса. Устойчивое состояние возникает после исчезновения переходных процессов, вызванных быстрыми изменениями нагрузки или источника питания машины.
Где, М max — максимальный крутящий момент (не путать с номинальным) и S z — скольжение при максимальном крутящем моменте .
Максимальный крутящий момент асинхронной машины пропорционален квадрату напряжения питания.
Пуск
При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором пусковой ток до 7 раз превышает значение номинального тока. Это создает большие скачки тока в сети при относительно небольшом крутящем моменте включения, поэтому прямой пуск обычно применяется только для двигателей мощностью около 3 кВт.
Уменьшение большого пускового тока асинхронного двигателя может быть достигнуто за счет уменьшения пускового напряжения статора.
Полупроводниковый регулятор напряжения (устройство плавного пуска двигателя) — это полупроводниковый регулятор напряжения двигателя с низкими потерями, при котором может быть достигнут плавный пуск двигателя.
Устройство плавного пуска не изменяет скорость двигателя, оно изменяет скольжение двигателя. Устройство плавного пуска также может использоваться для управления скоростью вентилятора и аналогичных нагрузок с квадратичной зависимостью мощности от скорости.
Двигатель каменной мельницы на золотом руднике Санрайз Дам (в Западной Австралии). Это асинхронный двигатель Alstom 11000 В — 4000 кВт, произведенный в Нанси (Франция).
Двигатели с фазным ротором
Пускатель ротора подключается к кольцам ротора с помощью щеток, обычно состоящих из трех резисторов одинакового размера, которые постепенно устраняются. В конце пуска обмотка замыкается накоротко.
Кольцевой якорь в двигателе с фазным ротром предназначен для ограничения пусковых токов статора, а также для увеличения пускового момента при пуске. Такой способ пуска двигателя не изменяет его скорость, он изменяет скольжение двигателя.
Реверс
При изменении любых двух фазных проводов на клеммах двигателя изменяется направление вращения вращающегося поля, и двигатель вращается в противоположную сторону.
Управление скоростью вращения
где, S — скольжение, f — частота питающего напряжения , p — количество пар полюсов двигателя. Следовательно, мы можем регулировать скорость, изменяя любую из этих величин.
Регулирование путем изменения напряжения питания — основано на крутизне характеристики крутящего момента в зависимости от изменения напряжения на выводах двигателя с последующим изменением скольжения для заданного крутящего момента, т.е. путем смещения рабочей точки. Это выполняется переключением обмотки статора по схеме звезда / треугольник или добавлением полного сопротивления к питанию статора, автотрансформатору и т.п.
Самый популярный способ управления скоростью вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в настоящее время — изменения частоты питающей сети.
Подключив частотный преобразователь (инвертор), можно контролировать частоту и эффективное значение выходного напряжения и, следовательно, генерируемое магнитное поле статора.
Скорость синхронного двигателя соответствует выходной частоте инвертора. Выходная частота инвертора может быть ниже, равна или выше частоты сети.
Двигатель, приводимый в действие преобразователем частоты, в этом случае имеет скорость, отличную от скорости двигателя при прямом питании от сети, даже более высокой.
Скалярное управление — постоянное — можно установить номинальную величину магнитного потока. Он в основном регулирует выходную частоту и напряжение в соотношении U/f = const. Применяется для двигателей с низкими требованиями к динамическим свойствам (насосы, вентиляторы). Скалярное управление не может использоваться для управления двигателем в диапазоне близком к нулевой скорости.
Векторное управление — помимо величины магнитного потока, можно задать его направление и, таким образом, добиться плавного изменения скорости при любом режиме работы и нагрузки. Это лучший способ контролировать скорость. Векторное управление позволяет создавать крутящий момент даже в области нулевой скорости. Старые реализации векторного управления требовали датчика скорости, сегодня уже используются методы бессенсорной идентификации состояния машины.
Прямое управление крутящим моментом (DTC) — это также усовершенствованный метод управления, который не обеспечивает полную динамику на низких или нулевых скоростях. Преимущество этого способа состоит в том, что алгоритм управления прост, непосредственно генерирует состояние переключения транзисторов и не требует наличия датчика скорости или идентификации состояния машины.
Однофазные асинхронные двигатели
Однофазный асинхронный двигатель чаще всего используется там, где нет необходимости регулировать скорость двигателя во время работы машины, например, при приводе компрессоров в холодильниках, бытовых стиральных машинах, газонокосилках и вентиляторах.
Для регулирования скорости однофазных асинхронных двигателей можно использовать частотный преобразоваетль с питанием от однофазной сети переменного тока.
В обычных бытовых приборах, таких как электрические ручные инструменты, кухонные комбайны, пылесосы, фены, по-прежнему применяются коллекторные двигатели, которые имеют более высокую скорость вращения и, следовательно, меньший объем и вес для требуемой мощности. Серийное производство более сложных и требовательных к обслуживанию коллекторных универсальных двигателей хорошо управляемо и автоматизировано.
Трехфазные асинхронные двигатели в производственном цеху
Асинхронный двигатель как генератор
Трехфазный асинхронный двигатель может использоваться без доработок в качестве электрогенератора для производства электроэнергии. Благодаря своей простоте и необслуживаемой эксплуатации, он используется в качестве генератора, особенно на малых гидроэлектростанциях.
Скорость водяной турбины (или другого источника вращающейся энергии) должна быть изменена путем преобразования в сверхсинхронную скорость используемого асинхронного двигателя, то есть скольжением выше синхронного. Эта сверхсинхронная скорость затем поддерживается внешней электрической сетью.
Подачу воды в турбину необходимо регулировать так, чтобы частота вращения синхронного двигателя не уменьшалась и, как правило, не превышалась частота вращения синхронного двигателя в 1,5 раза. Когда скорость падает, двигатель переключается с рекуперативного на двигательный режим и начинает получать активную энергию из сети. Превышение скорости может привести к перегрузке в рекуперативном режиме и механической аварии.
Работа двигателя в качестве генератора вне оптимального диапазона скоростей снизит эффективность. Предпочтительно использовать многополюсные двигатели с более низкими рабочими скоростями (например, 1500 мин -1 ).
Гидравлические турбины обычно проектируются тихоходными. Необходимо быстро вставить коробку передач между турбиной и двигателем. Однако это означает более высокие механические потери мощности в коробке передач. При более низких номинальных оборотах двигателя существует риск проблем с охлаждением и, как следствие, перегрева и сокращения срока службы.
Запуск асинхронного двигателя в качестве генератора может выполняться оператором, который сначала подключает двигатель к трехфазной сети. При подключенной турбине двигатель вращается с номинальной скоростью, близкой к синхронной.
Затем оператор открывает затвор подачи воды в турбину. Двигатель начинает разгоняться до сверхсинхронной скорости. С этого момента двигатель подает электроэнергию в сеть, и внешняя сеть также определяет его скорость.
Отключение выполняется в обратном порядке, чтобы предотвратить опрокидывание и, как следствие, повреждение двигателя (турбина без нагрузки).
Например, если асинхронный двигатель имеет номинальную скорость 1430 мин -1 , это двигатель с двумя полупарами (шесть катушек, подключенных к трехфазной сети), его синхронная скорость составляет 1500 мин -1 , а скольжение равно 70 мин −1 (s = 6,7%). Такой двигатель будет оптимально работать как генератор на скорости 1500 + 70 = 1570 мин -1 (s = -6,7%).
Для своей работы асинхронный двигатель с приводом от двигателя потребляет полную мощность [ВА] из распределительной сети, которую можно разделить на активную [Вт] и реактивную мощность [вар].
Полная, активная и реактивная мощность больше нуля (в используемой системе потребителей они имеют положительный знак). Активная мощность в двигателе преобразуется в механическую мощность на выходном валу и потери, то есть тепло. Реактивная мощность передается только между двигателем и источником (или компенсатором). Он не вырабатывает мощность и вызывает активные потери.
Асинхронный двигатель в рекуперативном режиме потребляет механическую энергию от выходного вала приводной машины (турбины). Асинхронный двигатель в рекуперативном режиме подает полную мощность [ВА] в распределительную сеть. Он обеспечивает активную мощность [Вт] и потребляет реактивную мощность [вар]. Полная и активная мощность меньше нуля (в используемой системе потребителя они имеют отрицательный знак).
Реактивная мощность больше нуля и имеет положительный знак. Для работы асинхронного генератора требуется подключение к трехфазной сети.
Асинхронный двигатель не может работать независимо как асинхронный генератор (т.е. он не работает в случае отказа внешней распределительной сети). Помимо подачи реактивной мощности, распределительная сеть определяет частоту и, следовательно, скорость вращения асинхронного генератора.
Если механический источник энергии (турбина) не имеет подходящего ограничения максимальной скорости, необходимо отключить асинхронный генератор от турбины (или отсоединить турбину от источника воды) в случае отказа распределительной сети. В противном случае машина может перевернуться, рабочая скорость может быть превышена, и она может получить механическое повреждение.
Рекуперативный асинхронный двигатель в автономном режиме может работать в особых условиях. Асинхронный генератор получает механическую энергию от выходного вала приводной машины (турбины).
В электрическом отношении асинхронный генератор работает изолированно от внешних систем.
Скорость вращения асинхронного генератора и, следовательно, частота выходного напряжения генератора могут колебаться в зависимости от нагрузки и расхода воды через турбину. Это зависит от взаимного баланса механической мощности генератора и электрической мощности генератора. В этом случае асинхронный генератор обычно подключается к автономной сети, например, через частотный преобразователь, который регулирует выходное напряжение и частоту системы.
Асинхронный генератор в автономной сети является источником полной мощности [ВА]. Он подает активную мощность [Вт] в автономную сеть.
Потребляемая реактивная намагничивающая мощность генератора [вар] и потребляемая реактивная мощность автономной сети [вар] должны подаваться, например, от батареи компенсирующих конденсаторов.
Автономная система с асинхронным генератором должна быть оборудована цепями управления и регулирования. Например, частотный преобразователь может использоваться для поддержания фиксированной частоты. В остальном асинхронный двигатель в рекуперативном режиме в автономном режиме ведет себя так же, как при подключении к распределительной сети.
Трехфазный асинхронный двигатель
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Конструкция асинхронного электродвигателя
Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.
Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.
Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.
Принцип работы. Вращающееся магнитное поле
Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.
Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.
Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.
- где n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
- f1 – частота переменного тока, Гц,
- p – число пар полюсов
Концепция вращающегося магнитного поля
Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени
Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.
Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток
Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.
Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.
Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.
Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора
Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n2 меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n1.
Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n2<n1. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения ns=n1-n2. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной s, называемой скольжением:
- где s – скольжение асинхронного электродвигателя,
- n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
- n2 – частота вращения ротора, об/мин,
Рассмотрим случай когда частота вращения ротора будет совпадать с частотой вращения магнитного поля статора. В таком случае относительное магнитное поле ротора будет постоянным, таким образом в стержнях ротора не будет создаваться ЭДС, а следовательно и ток. Это значит что сила действующая на ротор будет равна нулю. Таким образом ротор будет замедляться. После чего на стержни ротора опять будет действовать переменное магнитное поле, таким образом будет расти индуцируемый ток и сила. В реальности же ротор асинхронного электродвигателя никогда не достигнет скорости вращения магнитного поля статора. Ротор будет вращаться с некоторой скоростью которая немного меньше синхронной скорости.
Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0—100%. Если s
0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента; если s=1 — режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n2 = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.
Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 8% до 2%.
Преобразование энергии
Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию подаваемую на обмотки статора, в механическую (вращение вала ротора). Но входная и выходная мощность не равны друг другу так как во время преобразования происходят потери энергии: на трение, нагрев, вихревые токи и потери на гистерезисе. Это энергия рассеивается как тепло. Поэтому асинхронный электродвигатель имеет вентилятор для охлаждения.
Подключение асинхронного двигателя
Трехфазный переменный ток
Электрическая сеть трехфазного переменного тока получила наиболее широкое распространение среди электрических систем передачи энергии. Главным преимуществом трехфазной системы по сравнению с однофазной и двухфазной системами является ее экономичность. В трехфазной цепи энергия передается по трем проводам, а токи текущие в разных проводах сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120°, при этом синусоидальные ЭДС на разных фазах имеют одинаковую частоту и амплитуду.
Звезда и треугольник
Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме «звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).
Фазное напряжение — разница потенциалов между началом и концом одной фазы. Другое определение для соединения «звезда»: фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью (обратите внимание, что у схемы «треугольник» отсутствует нейтраль).
Линейное напряжение — разность потенциалов между двумя линейными проводами (между фазами).
| Звезда | Треугольник | Обозначение |
|---|---|---|
 |
 |
Uл, Uф — линейное и фазовое напряжение, В, |
 |
 |
Iл, Iф — линейный и фазовый ток, А, |
 |
 |
S — полная мощность, Вт |
 |
|
P — активная мощность, Вт |
S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.
Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же Uл=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз Uф=Uл=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы «треугольник» будет в три раза больше линейного тока схемы «звезда». А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:
S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.
Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме «звезда», подключение данного электродвигателя по схеме «треугольник» может привести к его поломке.
Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме «треугольник», то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.
Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник
Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | U1 | U2 |
| вторая фаза | V1 | V2 |
| третья фаза | W1 | W2 |
| Соединение в звезду (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | U | |
| вторая фаза | V | |
| третья фаза | W | |
| точка звезды (нулевая точка) | N | |
| Соединение в треугольник (число выводов 3) | ||
| первый вывод | U | |
| второй вывод | V | |
| третий вывод | W | |
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | C1 | C4 |
| вторая фаза | C2 | C5 |
| третья фаза | C3 | C6 |
| Соединение звездой (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | C1 | |
| вторая фаза | C2 | |
| третья фаза | C3 | |
| нулевая точка | 0 | |
| Соединение треугольником (число выводов 3) | ||
| первый вывод | C1 | |
| второй вывод | C2 | |
| третий вывод | C3 | |
Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента
Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).
Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети
Схемы приведенные на рисунке «а», «б», «д» применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам «а», «б», «г» практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.
Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем «в», «д», «е» примерно рассчитывается соответственно по формулам:
- ,где Cраб — емкость рабочего конденсатора, мкФ,
- Iном – номинальный (фазный) ток статора трехфазного двигателя, А,
- U1 – напряжение однофазной сети, В.
Управление асинхронным двигателем
-
Способы подключения асинхронного электродвигателя к сети питания:
- подключение от устройства плавного пуска
Прямое подключение к сети питания
Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.
С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:
- нереверсивного пуска: пуск и остановка;
- реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.
Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.
Нереверсивная схема
Нереверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного электрического тока через магнитный пускатель
L1, L2, L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, QF1 — автоматический выключатель, SB1 — кнопка остановки, SB2 — кнопка пуска, KM1 — магнитный пускатель, KK1 — тепловое реле, HL1 — сигнальная лампа, M — трехфазный асинхронный двигатель
Реверсивная схема
Реверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного электрического тока через магнитные пускатели
L1, L2, L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, QF1 — автоматический выключатель, KM1, KM2 — магнитные пускатели, KK1 — тепловое реле, M — трехфазный асинхронный двигатель, SB1 — кнопка остановки, SB2 — кнопка пуска «вперед», SB3 — кнопка пуска «назад» (реверс), HL1, HL2 — сигнальные лампы
Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.
Плавный пуск асинхронного электродвигателя
В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.
Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.
Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.
Частотное управление асинхронным электродвигателем
Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.
-
Использование частотного преобразователя позволяет:
- уменьшить энергопротребление электродвигателя;
- управлять скоростью вращения электродвигателя (плавный запуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
- избежать перегрузок электродвигателя и тем самым увеличить его срок службы.
-
В зависимости от функционала частотные преобразователи реализуют следующие методы регулирования асинхронным электродвигателем: ; .
Скалярное управление является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки — медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).
Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости
Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.
Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.
Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора
Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.
-
По способу получения информации о положении потокосцепления ротора электродвигателя выделяют:
- полеориентированное управление по датчику;
- полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, которая имеется в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество пар полюсов двигателя).
Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.
Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором
До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.
Конструкция АДФР
Фазный ротор
Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.
Статор АДФР
Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | K1 | K2 |
| вторая фаза | L1 | L2 |
| третья фаза | M1 | M2 |
| Соединение в звезду (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | K | |
| вторая фаза | L | |
| третья фаза | M | |
| точка звезды (нулевая точка) | Q | |
| Соединение в треугольник (число выводов 3) | ||
| первый вывод | K | |
| второй вывод | L | |
| третий вывод | M | |
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Соединение звездой (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | Р1 | |
| вторая фаза | Р2 | |
| третья фаза | Р3 | |
| нулевая точка | 0 | |
| Соединение треугольником (число выводов 3) | ||
| первый вывод | Р1 | |
| второй вывод | Р2 | |
| третий вывод | Р3 | |
Пуск АДФР
Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.
Применяются проволочные и жидкостные реостаты.
Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.
Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов [3].
Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.
При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.
Асинхронный трехфазный двигатель
Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижной части статора и вращающейся части ротора. Эти части имеют сердечник и обмотку.
Ввиду того, что обмотка статора включается в сеть, она является первичной, обмотка ротора — вторичной. Энергия в обмотку ротора поступает из обмотки статора за счет магнитной связи.
Конструктивно асинхронные двигатели делятся на два вида:
— двигатели с короткозамкнутым ротором;
— двигатели с фазным ротором.
Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Рисунок 1. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1 — вал; 2, 6 — подшипники; 3, 7 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов; 5 — вентилятор; 8 — кожух вентилятора; 9 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 — сердечник статора с обмоткой; 11 — корпус; 12 — лапы
Статор состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой.
Корпус двигателя изготавливается методом отлива из алюминиевого сплава или из чугуна. Двигатель изображенный на рисунке 1 имеет закрытое обдуваемое исполнение. Это можно определить по наличию на корпусе ряда продольных ребер, основным назначением которых является увеличение поверхности охлаждения двигателя.
В корпусе двигателя располагается сердечник статора 10. Он выполнен отштампованными листами из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0,5 мм покрытых слоем изоляционного лака. Листы собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета.
Данная конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора в продольных пазах расположены пазовые части обмотки статора соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам.
Ротор состоит из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой.
Короткозамкнутая обмотка называется «беличье колесо». Беличья клетка представляет собой ряд металлических стержней (выполненных из алюминия или меди). Она располагаются в пазах сердечника ротора и замкнуты с двух сторон короткозамыкающими кольцами.
Рисунок 2. Короткозамкнутый ротор: а — обмотка «беличья клетка», б — ротор с обмоткой, выполненной методом литья под давлением; 1 — вал; 2 — короткозамыкающие кольца; 3 — вентиляционные лопатки.
Сердечник ротора имеет шихтованную конструкцию.
Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется заливкой собранного сердечника ротора алюминиевым сплавом. Совместно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рисунок 2).
Вращение вала ротора осуществляется в подшипниках качения 2 и 6. Подшипники качения располагаются в подшипниковых щитах 3 и 7.
Охлаждение двигателя выполняется методом обдува поверхности корпуса. Поток воздуха нагнетается центробежным вентилятором 5, закрытого кожухом 8.
На обратной стороне кожуха располагаются отверстия для забора воздуха.
Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4.
Рисунок 3. Расположение выводов об¬мотки статора (а) и положение перемычек при соединении обмотки статора звездой и треугольником (б)
Асинхронные двигатели предназначены для работы в трехфазной сети и могут работать на двух разных напряжениях, отличающиеся в √3 раз.
Выводы обмоток фаз в коробке выводов располагают таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания. Крепление двигателя к поверхности осуществляется посредством лап 12
В качестве защиты персонала от поражения электрическим током на двигателях предусмотрены болты заземления (как правило, менее двух).
Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с
короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором
Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором.
Рисунок 5. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором: 1, 7 — подшипники, 2,6 — подшипниковые щиты, 3 — корпус, 4 — сердечник статора с обмоткой, 5 — сердечник ротора, 8 — вал, 9 — коробка выводов, 10 — лапы, 11 — контактные кольца.
Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. Подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. Лапы для крепления 10. Коробка выводов 9.
Ротор асинхронного двигателя с фазным ротором имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный сердечник 5 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично об¬мотке статора. Обмотку ротора соединяют звездой и ее выводы при¬соединяются к контактным кольцам 11, расположенным на валу. Контактные кольца изолированным друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 накладывают щетки 2, располагаемых в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием.
Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке 4 б. Обмотка ротора асинхронного двигателя с фазным ротором соединена с пусковым реостатом ПР, который создает в цепи ротора добавочное сопротивление Rдоб.