Устройство и принцип работы трехфазных асинхронных двигателей. Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

Электричество стало самым популярным видом энергии только за счет электрического двигателя. Двигатель, с одной стороны, - вырабатывает электрическую энергию, если его вал принудительно крутить, а с другой - способен преобразовать электрическую энергию в энергию вращения. До великого Тесла все сети были постоянного тока, а двигатели соответственно только постоянными. Тесла применил переменный ток и построил двигатель переменного тока. Переход на переменные двигатель был необходим чтобы избавиться от щеток - подвижного контакта. С развитием электроники трехфазным двигателям было дано новое качество - регулирование скорости тиристорными приводами. Именно в плане регулирования скоростью переменные проигрывали постоянным. Конечно, в болгарках есть щетки и коллектор, но здесь так было проще, а вот в холодильниках двигатель без щеток. Щетки достаточно неудобная штука и все производители дорогой техники стараются этот момент обойти.

Трехфазные двигатели самые распространенные в промышленности. Принято считать, по аналогии с постоянными двигателя, что у переменника также есть полюса. Пара полюсов - это одна катушка обмотки, намотанная на станке в виде овала и вставленная в пазы статора. Чем больше пар полюсов, тем меньше двигатель развивает оборотов и тем выше крутящий момент на валу ротора. У каждой фазы несколько пар полюсов. К примеру, если на статоре 18 пазов для обмотки, то на каждую фазу приходится 6 пазов и значит у каждой фазы 3 пары полюсов. Концы обмоток выводятся на клеммник на котором можно скоммутировать фазы либо в звезду, либо в треугольник. На двигателе приклепана бирка с данными, обычно "звезда / треугольник 380 / 220 В." Это означает, что при линейном напряжении сети в 380 В нужно включать двигатель по схеме звезда, а при линейном 220 В - треугольник. Наиболее распространена схема "звезда" и эту сборку проводов прячут внутрь двигателя, выводя на обмотки лишь три конца фаз.

Все двигатели крепятся к станкам и приспособам при помощи лап или фланца. Фланец - для крепления двигателя со стороны вала ротора в подвешенном состоянии. Лапы нужны для фиксации двигателя на плоской поверхности. Для того чтобы закрепить двигатель, нужно взять лист бумаги, поставить лапами на этот лист и точно разметить отверстия. После этого, приложить лист к поверхности крепежа и перенести размеры. Если двигатель плотно стыкуется с другой частью, то нужно выставить его относительно крепежа и вала, а только затем размечать крепление.

Двигатели бывают самых разных размеров. Чем больше размеры и масса, тем мощнее двигатель. Какие бы они ни были по размеры, изнутри все одинаковые. С передней стороны выглядывает вал со шпонкой, с другой стороны зад прикрыт накладной пластиной-кожухом.

Обычно клеммные колодки вставляются в коробки на двигателе. Это позволяет удобно производить монтаж, но в силу многих факторов такие колодки отсутствуют. Поэтому все делается надежной скруткой.

Бирка с паспортными данными говорит про мощность двигателя (0,75 кВт), скорость (1350 оборотов в минуту), частоту тока сети (50 Гц), напряжение треугольник - звезда (220/380), коэффициент полезного действия (72%), коэффициент мощности (0,75).

Здесь не указаны сопротивление обмоток и ток двигателя. Сопротивление достаточно мало, если измерять омметром. Омметр измеряет активную составляющую, но не касается реактивной, т.е индуктивности. При включении двигателя в сеть, ротор стоит на месте и вся энергия обмоток замыкается на нем. Ток в этом случае превышает номинальный в 3 - 7 раз. Затем ротор начинает разгоняться под действием вращающегося магнитного поля, индуктивность растет, растет реактивное сопротивление и ток падает. Чем меньше двигатель, тем выше его активное сопротивление (200 - 300 Ом) и тем больше ему не страшен обрыв фазы. Большие двигатели обладают малым активным сопротивлением (2 - 10 Ом) и для них смертелен обрыв фазы.

Формула для расчета тока двигателя следующая.

Если подставить значения для разбираемого двигателя, то получится следующее значение тока. Нужно учесть, что получившийся ток одинаковый по всем трем фазам. Здесь мощность выражается в кВт (0,75), напряжение в кВ (0,38 В), КПД и коэффициент мощности - в долях от удиницы. Получившийся ток - в амперах.

Разбору двигателя начинают с откручивая кожуха крыльчатки. Кожух нужен для безопасности персонала - чтобы руки не совали в крыльчатку. Был случай, инженер по охране труда, показывая студентам токарный цех, со словами "а вот так делать нельзя", сунул палец в дыру в кожухе и наткнулся на вращающуюся крыльчатку. Палец отрубило, студента хорошо запомнили урок. Все крыльчатки снабжаются кожухами. На предприятиях с малым уровнем доходности, вместе с кожухом снимают и крыльчатку.

Крыльчатка на валу фиксируется крепежной пластиной. В больших двигателях крыльчатка металлическая, в малых двигателях - пластиковая. Для съема нужно отогнуть усик пластинки и осторожно подтянув с двух сторон отвертками стягивать с вала. Если крыльчатка сломалась, то обязательно нужно поставить другую, ведь без нее нарушится охлаждение двигателя, что будет вызывать перегрев и в итоге станет причиной пробоя изоляции двигателя. Делается крыльчатка из двух полосок жести. Жесть изгибается полукольцами вокруг ротора, стягивается двумя болтами с гайками, чтобы плотно сидела на валу, а свободные концы жести отгибаются. Получится крыльчатка на четыре лопасти - дешево и сердито.

Важным элементом является шпонка на валу двигателя. Шпонка случит для виксации ротора в посадочной втулке или шестерне. Шпонка препятствует проворачиваю ротора относительно посадочного элемента. Набивать шпонку - тонкое дело. Лично я вначале немного насаживаю шестерню на ротор, набиваю ее на 1/3 и только затем вставляю шпонку и немного забиваю ее. После насаживаю всю шестерню вместе со шпонкой. При таком способе шпонка не вылезет в другой стороны. Здесь все дело в проточке канавки под шпонку. Со стороны ближней к корпусу двигателя канавка для шпонки имеет вид горки по которой очень плавно и легко шпонка выезжает. Бывают и другие виды канавок - закрытые с овальной шпонкой, но более распространены шпонки квадратного сечения.

Со стороны обоих крышек есть болты. Для дальнейшей разборки двигателя их нужно выкрутить и сложить в баночку - чтобы не потерять. Эти болты крепят крышки в статору. В крышках плотно сидят подшипники. После выкручивая всех болтов крышки должны сойти, но они укоревают и сидят очень плотно. Нельзя ломами или отвертками, цепляя за уши для крепления кожуха сдирать крышки. Крышки хоть и сделаны из дюраля или чугуна, но очень ломкие. Проще всего ударить по валу через бронзовую надставку, или поднять двигатель и валом сильно ударить по твердой поверхности. Съеник также может сломать крышки.

Если крышки подались - все отлично. Одна сойдет хорошо, вторую через двигатель нужно выбить палкой. Подшипники нужно выбивать палкой с обратной стороны крышки. Если же подшипник не сидит в крышке, а болтается, то нужно взять керн и накернить всю поверхность посадки подшипника. Затем набить подшипник. Подшипник не должен давать биение и скрип. При ремонте неплохо ножом вскрыть закрытые подшипники ножом, удалить старую смазку и заложить на 1/3 объема новую смазку.

Статор асинхронного двигателя переменного тока изнутри покрыт обмотками. Со стороны шпонки на роторе эти обмотки считаются лобовыми и это перед двигателя. На лобовые обмотки приходят все концы катушек и здесь катушки собираются в группы. Для сборки обмоток нужно намотать катушки, вставить в пазы статора изоляционные прокладки, которые отделят стальной статор от покрытой изоляцией медной проволоки обмотки, заложить обмотки и сверху накрыть вторым слоем изоляции и зафиксировать обмотки изоляционными палочками, сварить концы обмоток, натянуть на них изоляцию, вывести концы для подключения напряжения, пропитать весь статор в ванне с лаком и высушить статор в печи.

Ротор асинхронного двигателя переменного тока короткозамкнут - нет обмоток. Вместо них набор трансформаторной стали круглого сечения с несимметричной формой. Видно, что канавки идут по спирали.

Одним из методов запуска трехфазного двигателя линейного напряжения от двухпроводной сети фазного напряжения является включение между двумя фазами рабочего конденсатора. К сожалению, рабочий конденсатор не может запустить двигатель, нужно двигатель крутануть за вал, но это опасно, но можно параллельно рабочему конденсатору включить дополнительный пусковой конденсатор. При таком подходе двигатель будет запускаться. Однако, при достижении номинальных оборотов, пусковой конденсатор нужно отключить, оставив только рабочий.

Рабочий конденсатор выбирается из расчета 22 мкФ на 1 кВт двигателя. Пусковой конденсатор выбирается из расчета в 3 раза больше рабочего конденсаторы. Если есть двигатель на 1,5 кВт, то Ср = 1,5*22 = 33 мкФ; Сп = 3*33 = 99 мкФ. Конденсатор нужен только бумажный с напряжением минимум 160 В при включении обмоток в звезду и 250 В при включении обмоток в треугольник. Стоит отметить, что лучше использовать включение обмоток в звезду - больше мощности.

Китайцы не сталкиваются с проблемой сертификации или регистрации, поэтому все нововведения из журналов "Радио" и "Моделист кструктор" делаются моментально. Например, вот такой трехфазный двигатель, который возможно включать на 220 В причем в автоматичесаком режиме. Для этого рядом с лобовыми обмотками расположена подковообразная пластина с нормальнозамкнутым контактом.

В распределительной коробке вместо клеммника вставлены конденсаторы. Один на 16 мкФ 450 В - рабочий, второй на 50 мкФ 250 В - пусковой. Почему такая разница в напряжении непонятно, видимо пихали то, что было.

На роторе двигателя расположена подпружиненная пластмассина, которая под действием центробежной силы давит на подковообразный контакт и размыкает цепь пускового конденсатора.

Получается, что включении двигателя оба конденсаторы подключены. Ротор раскручивается до определенных оборотов, при которых китайцы считают, что запуск завершен, пластина на роторе смещается, надавливая на контакт и отключая пусковой конденсатор. Если оставить пусквой конденсатор подключенным, то двигатель будет перегреваться.

Для запуска двигателя от системы 380 В нужно отключить конденсаторы, вызвонить обмотки и подключить напряжение трехфазной сети к ним.

Всем удачного разбора.

Электродвигателем называется устройство, преобразующее электрическую энергию, получаемую из сети распределения, в механическую энергию вращения. Любой электродвигатель состоит из корпуса, защищающего устройство от пыли и влаги, неподвижной части (статора), жёстко скреплённой с корпусом, имеющей неподвижные обмотки и магнитопроводы, и вращающейся части, называемой ротором. Ротор жёстко насажен на вал, который вращается в двух подшипниковых узлах (переднем и заднем), конец вала выведен наружу и имеет шпоночную канавку для закрепления шкивов или шестерён привода.

Подшипниковые узлы находятся в двух съёмных крышках, которые закрывают корпус с торцов и стягиваются между собой длинными шпильками (как правило, тремя-четырьмя). На заднем конце вала закрепляется крыльчатка вентилятора, который служит для обдува и охлаждения обмоток. Вентилятор прикрывается крышкой с отверстиями для выхода воздуха. Снаружи на корпусе закрепляется коммутационная коробка, внутри которой находятся клеммы подключения. Коробка герметично (через резиновую прокладку) закрывается крышкой для защиты клемм подключения от влаги и пыли.

Конструкция электродвигателя весьма удобна для обслуживания и ремонта – двигатель легко разбирается, обеспечивая доступ к любой части, и собирается.

Принцип работы трёхфазного двигателя

Одним из главных преимуществ трёхфазной системы электроснабжения является то, что из-за сдвига фаз синусоид тока и напряжения сети на 120 градусов, такая система способна создавать «вращающееся» электромагнитное поле. Если мы на неподвижном статоре расположим три обмотки с магнитомягким (это материал, который легко, то есть с минимальными потерями, перемагничивается) сердечником и подадим напряжение на обмотки последовательно от трёх фаз, то ток обмоток начнёт намагничивать сердечники, создавая как бы бегущее по окружности магнитное поле. Это поле в каждом сердечнике синусоидально пульсирует, а во всех трёх создаёт эффект вращения.

Можно подсчитать и угловую скорость вращения магнитного поля при трёх обмотках, расположенных по окружности через 120 градусов, она равна частоте переменного тока – 50 герц, или 50 оборотов в секунду. Чтобы привести к привычным для нас оборотам в минуту, которыми измеряют скорость вращения вала электродвигателя, нужно 50 оборотов в секунду умножить на 60 (число секунд в минуте), получим 3 000 оборотов в минуту (об/мин).

Отметим, что скорость вращения магнитного поля в статоре можно легко понизить чисто конструктивными методами, например, расположить по окружности не три, а шесть обмоток (сделать шесть магнитных полюсов), расположив их по окружности через 60 градусов, причём 1 и 4 обмотки подключить к одной фазе, 2 и 5 – к другой, а 3-ю и 6-ю – к третьей. Тогда скорость вращения магнитного поля понизится вдвое и составит 1500 об/мин. Аналогично увеличив число магнитных полюсов до 12 и расположив их через 30 градусов по окружности, мы понизим скорость вращения магнитного поля ещё раз вдвое – до 750 об/мин.

Запомним, что электродвигатели переменного тока работают со скоростью, связанной с частотой сети. И для каждой частоты имеется свой ряд скоростей, и величины членов ряда кратны между собой одному числу, например – двойке. (Оговоримся, что могут быть и другие числа кратности, например – 3)

Синхронные электродвигатели

Теперь, если мы в качестве ротора закрепим на валу двигателя постоянный магнит с двумя полюсами, то в бегущем магнитном поле вал начнёт вращаться со скоростью поля. Такие двигатели называют синхронными.

Иногда применяются двигатели с постоянным магнитом в роли ротора, как правило, это маломощные моторчики, к примеру, так выполнен двигатель центробежного насоса слива стиральной машины. Но для мощных моторов трудно изготовить мощный постоянный магнит, гораздо проще применить электромагнит. В этом случае ротор представляет собой, набранный из пластин магнитомягкой стали, сердечник специальной формы, на который намотана обмотка.

Ток на обмотку ротора подаётся из сети через устройство, называемое коллектор. Коллектор – это медные, изолированные друг от друга, два или три (для трёхфазной обмотки) кольца на валу, которых касаются угольные подпружиненные щётки. Кольца соединены с началом и концом обмотки. Напряжение из сети подаётся к щёткам, и через контактные кольца поступает на обмотку ротора. Такой электродвигатель называется синхронный, потому что имеет число оборотов равное числу оборотов вращающегося магнитного поля статора.

(Синхронный электродвигатель переменного тока для двухфазной и многофазной сети был запатентован Н. Тесла – американским учёным, изобретателем.)

Однако коллекторы электродвигателей имеют ряд недостатков, угольные щётки при работе искрят (что особо неприятно во взрывоопасной среде), подгорают, из-за чего пропадает контакт (кольца приходится периодически зачищать от нагара). Щётки истираются и требуют замены. Иногда щётки зависают на пружинах и контакт пропадает.

Асинхронные электродвигатели

Изобретательская мысль продолжала работать, и наш соотечественник М. О. Доливо – Добровольский придумал, как можно избавиться от коллектора, он предложил обмотку ротора выполнить в виде короткозамкнутых витков, ток в которых будет возбуждаться переменным магнитным полем статора. Конструктивно решение обмотки ротора представляло собой два кольца, соединённых между собой поперечными проводниками, наподобие «беличьего колеса» – известная «игрушка» для зверька, в которой белка может бесконечно бегать. Такой двигатель назвали – двигатель с короткозамкнутым ротором.

Работает он так – в момент пуска переменное магнитное поле статора возбуждает в проводниках «беличьего колеса» сильный ток, который намагничивает сердечник ротора и последний притягивается магнитами статора и начинает вращаться. Поскольку для появления тока в замкнутых витках ротора необходимо, чтобы магнитное поле менялось, (при синхронном вращении ротора бегущее магнитное поле статора, воздействующее на ротор, на роторе не меняется), ротор будет вращаться с несколько меньшей скоростью, чем вращается магнитное поле статора. Вследствие этого «запаздывания» такой двигатель назвали асинхронный. А разницу во вращении ротора относительно магнитного поля статора назвали скольжением.

Скольжение асинхронного двигателя – величина переменная, в момент пуска оно максимально, затем начинает уменьшаться и на холостом ходу становится минимальным (около 3%). При наличии нагрузки на валу – скольжение ротора увеличивается и растёт с ростом нагрузки (максимум 7%). Если мы посмотрим на паспортные данные асинхронных двигателей – то увидим, что номинальное число оборотов двигателя указанное в паспорте и на табличке двигателя всегда будет меньше определённых нами ранее величин – вместо 3 000 об/мин будет около 2850, вместо 1500 будет 1470, вместо 750 – 725. Эта разница как раз и определяет скольжение.

Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Конструкция данного двигателя оказалась настолько удачной, что сегодня подавляющее большинство электроприводов в мире сделаны на основе асинхронных трёхфазных двигателей с короткозамкнутым ротором. Именно поэтому владельцы усадьб, в которых имеется техника с электроприводами – насосы, электропилы, различные станки и т. д., стремятся провести себе «три фазы».

Достоинства этих двигателей:

1. Исключительная простота, надёжность и долговечность.
2. Удобство обслуживания и ремонта двигателей.
3. Возможность менять направление вращения ротора простым переключением любых двух фазных проводов.
4. Возможность работы в режиме генератора, что позволяет применять электромагнитное торможение, при котором мотор начнёт отдавать энергию в сеть.

Однако это достоинство может быть и недостатком. При замене силовых кабелей и розеток нужно особое внимание уделять оборудованию, как оно было подключено. Нередки такие случаи, какой произошёл в детском саду, когда там понадобилось заменить силовой кабель на более мощный. После окончания работ, на кухне мясорубки и овощерезки перестали работать, так как их рабочие валы стали вращаться в обратном направлении. А в прачечной механику гладильного барабана вообще заклинило. А всё оттого, что при монтаже кабеля были перепутаны какие-то два фазных провода.

При проведении монтажных работ это нужно учитывать и всегда проверять на каком-либо некритичном двигателе правильность фазировки проводов. Потому что есть такое оборудование, которое может выйти из строя при неверной фазировке.

Недостатки асинхронных электродвигателей

Но наряду с достоинствами эти двигатели, разумеется, имеют и недостатки. Это, во-первых, большой пусковой ток, который превышает номинальный в 4-5 раз. Последнее обязательно необходимо учитывать при установке автоматов защиты для двигателя – ставить автоматы класса «D». И, во-вторых, малый момент на валу при пуске. Для некоторых механизмов с большой инерцией приходится ставить более мощный, чем это требуется двигатель.

Подключение и работа трехфазного электродвигателя

Теперь о подключении трёхфазных двигателей к сети. В коммутационной коробке на двигателе концы трёх обмоток выведены на шесть клемм. Там же имеется дополнительная клемма для нулевого провода. Клемма заземления может находиться на корпусе двигателя рядом с лапками или фланцем крепления.

Соединение обмоток может быть произведено двумя способами, так называемыми «звездой» или «треугольником».
Начала обмоток в двигателе в клеммной коробке обычно маркируются как С1,С2 и С3. Концы обмоток соответственно С4, С5 и С6. Соответственно соединение звездой производится так, концы обмоток соединяются между собой перемычкой, на клеммы С1, С2 и С3 соответственно соединяются с фазными проводами L1,L2 и L3.

Иногда концы обмоток присоединяют к нулевому проводу, но это не обязательно, так как нагрузка по фазам в двигателе равномерная и по нулевому проводу никакого тока не будет.

Соединение треугольником – это когда соединяются концы и начала обмоток последовательно и к точкам соединения подаются фазы. То есть соединяются С1, С5 и L1; С2, С6 и L2; С3, С4 и L3. Нулевой провод не задействуется.

При этом нужно учитывать, что при соединении звездой на обмотки статора будет подано фазной напряжение, а при соединении треугольником – линейное, которое в 1,7 раза выше фазного. Это нужно учитывать, сверяясь с маркировкой на двигателе, где так и указывается – двигатель 220/380 или 127/220. Последний двигатель в трёхфазной сети 220/380 с высокой вероятностью сгорит.

Особых преимуществ у тех или иных схем включения нет, за исключением повышения мощности при включении треугольником, за счёт работы при более высоком линейном напряжении. Однако как следствие этого, при соединении треугольником пусковой ток значительно выше, чем при соединении звездой. Для его понижения иногда применяют релейный автомат, который в момент пуска соединяет обмотки звездой, а в дальнейшем переключает соединение на треугольник.

Работа трёхфазного асинхронного двигателя с КЗ-ротором при обрыве одной фазы

Вопрос, имеющий сугубо практический интерес, – что произойдёт с трёхфазным асинхронным двигателем при обрыве одной из фаз?
Если такое произойдёт в момент работы двигателя, то он продолжит работу при любом типе соединения обмоток. Однако мощность его снизится примерно наполовину. И если нагрузка останется максимальной, – неизбежен перегрев работающих обмоток.

Нужно твёрдо усвоить всем людям, имеющим дело с электродвигателями, что любая механическая перегрузка любого электродвигателя вызывает перегрев и сгорание обмоток. А если жёстко застопорить ротор, что бывает при поломках механизмов, которые приводит в движение двигатель, то попытка включить такой электродвигатель вызовет короткое замыкание в сети со всеми вытекающими последствиями.

А вот запустить двигатель при обрыве одной из фаз можно только при включении обмоток звездой и при подключенном нулевом проводе. Опять-таки мощность двигателя при этом уменьшается наполовину со всеми вытекающими последствиями.

Возможность работы трёхфазного асинхронного двигателя в однофазной сети

Этот вопрос довольно часто встречается на практике, например, у вас есть насос с трёхфазным асинхронным двигателем, и вам надо его временно включить, вы согласны даже на то, что мощность насоса понизится, а электросеть у вас в хозяйстве однофазная.
Данный вопрос сводится к другому – можно ли при однофазной сети получить вращающееся магнитное поле?
Ответ – и да, и нет, одновременно.
Да, потому что вращающийся ротор двигателя (если его раскрутить рукой) продолжит вращение и работу.
Нет, потому что запустить двигатель сам по себе – не удастся.

Прибегая к аналогии, можно представить кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания с одним цилиндром. Поршень механизма находится в верхней мёртвой точке. Можно ли заставить механизм начать работу, нажимая сверху на поршень? Нет! Нужно сначала вывести механизм из мёртвой точки, слегка провернув вал. Причём, в какую сторону вал вы провернёте, в ту сторону и начнётся вращение.

Точно так же в однофазном электродвигателе переменного тока – изначально не определено направление вращения – в какую сторону ему начать крутиться? Следовательно, нужно поместить ещё одну пусковую обмотку с какой либо стороны двигателя. И в этой пусковой обмотке сдвинуть ток по фазе на столько градусов, в какой мере эта обмотка сдвинута в двигателе относительно основной. Так и устроены однофазные двигатели переменного тока, для запуска у них служит пусковая обмотка, которая впоследствии может отключаться. Иногда такие двигатели называют двухфазными.

В трёхфазном асинхронном двигателе такой пусковой обмоткой может служить одна из трёх обмоток. Только включить её нужно через фазосдвигающее устройство, которым может быть или индуктивное сопротивление (катушка на сердечнике) либо ёмкостное – конденсатор. Наиболее распространено применение конденсаторного сдвига.

Для начала нужно посмотреть, на какое напряжение рассчитан трёхфазный двигатель. Если у вас напряжение сети 220 вольт, а двигатель рассчитан на 127/220 вольт, – то вам нужно соединить обмотки двигателя треугольником. А если у вас двигатель 220/380 вольт, – то нужно соединить обмотки звездой.
Далее нулевой провод однофазной сети подключаем к одному (из трёх) выводу обмоток, ко второму выводу подключим фазный провод, а к третьему выводу ответвление от фазного провода через конденсатор.
После этого запускаем двигатель. Работать он будет с потерей мощности наполовину, примерно так же, как и при обрыве одной из фаз.

Как определить необходимую емкость конденсатора?

Если у вас обмотки соединены звездой, то формула для расчёта ёмкости конденсатора выглядит так:

С = 2800 I/U

При соединении обмоток двигателя треугольником формула выглядит так:

С = 4800 I/U

где С – ёмкость конденсатора в микрофарадах, I – рабочий ток двигателя в амперах, U – напряжение сети в вольтах.