Электродвигатели переменного тока

Доброго времени суток, уважаемые читатели блога nasos-pump.ru

Асинхронные трех фазные двигатели

Асинхронные трех фазные двигатели

В рубрике “Общее” рассмотрим устройство и принцип работы трех фазных и одно фазных асинхронных двигателей.  Электродвигатели переменного тока очень широко применяются в промышленности, на транспорте, в авиации, в автоматических системах управления и регулирования, а также в народном хозяйстве. В насосном оборудовании применяются асинхронный электрический двигатель переменного тока. Двигатель преобразует электрическую энергию (энергию магнитного поля) в механическую (вращательную) энергию на валу насоса. Насос преобразует механическую энергию в гидравлическую энергию перемещения жидкости. В наше время асинхронные электродвигатели переменного тока являются наиболее распространенными электродвигателями. Они получили такое широкое распространение из-за своей низкой стоимости, простоты в конструкции и высокой надежности при эксплуатации. Коэффициент полезного действия (КПД): асинхронных двигателей при мощностях более 1 кВт составляет 0,7 – 0,95. Существует различные способы запуска асинхронных двигателей. Наиболее часто применяемые способы будут рассмотрены в отдельной статье.

Электромагнетизм

Понятие магнетизм

Понятие магнетизм

 Из курса физики известно, что магнит имеет два полюса: северный (отрицательный) и южный (положительный). Противоположные полюса магнитов притягиваются, а одинаковые – отталкиваются друг от друга (см. рис).

При протекании электрического тока по проводнику, вокруг него создается магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы как для постоянных магнитов, так и электромагнитов. Чем выше ток, протыкаемый по проводнику, тем сильнее магнитное поле. Магнитное поле вокруг проводника можно увеличить, если на стальной сердечник намотать катушку. В таком случае линии магнитного потока, образуемого каждым витком, складываются и создают единое магнитное поле вокруг катушки. Чем больше количество витков в катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же свойства и характеристики, что и постоянное магнитное поле, а, следовательно, и у электромагнитов тоже есть северный и южный полюса. Если в катушке поменять направление движения электрического тока, то поменяются местами и полюса электромагнита (см. рис).

Понятие электромагнетизм

Понятие электромагнетизм

 Устройство асинхронных электродвигателей переменного тока

Электрический двигатель состоит из двух основных частей – это статор и ротор.

Статор

Статор

Статор – это неподвижная и по цене самая дорогая часть электродвигателя. Сердечник статора представляет собой полый цилиндр. Изготавливают и набирают сердечник из отдельных пластин электротехнической стали толщиной 0,5-0,35 мм. Пластины штампуют со специальными пазами, изолируют лаком или окалиной для уменьшения потерь (вихревые токи), собирают в пакеты. Готовый сердечник запрессовывается в корпус статора. Корпус статора электродвигателя изготавливается из алюминия или чугуна. Затем в продольные пазы статора укладывается обмотка. Если электродвигатель трехфазный, то каждая фаза расположена по отношению к другой фазе под углом 120 градусов. Все обмотки состоят из двух катушек, которые образуют два полюса.

Переменным ток – это электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. При подаче напряжения на катушки статора одна из них становится северным полюсом, а другая – южным. Полярность полюсов все время меняется, так как ток переменный и создается комбинированное электромагнитное поле статора, направленное перпендикулярно проводникам ротора. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Ротор – подвижная часть электродвигателя, которая вращается на валу электродвигателя, двигаясь за магнитным полем статора. Сердечник ротора тоже набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм, изолированных лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи. Пластины штампуют с пазами, насаживают на вал, и в результате образуется цилиндр. В продольные пазы цилиндра укладывают медные или алюминиевые проводники обмотки ротора. В зависимости от типа обмотки асинхронные двигатели могут быть с фазным и короткозамкнутым ротором. Наибольшее применение нашли роторы с короткозамкнутыми обмотками, или как их еще называют «беличьи колеса» из-за конструкции, которая напоминает барабаны для белок (см. фото).

Ротор

Ротор и его конструкция

При подаче переменного тока на обмотки статора в них создается электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Магнитное поле статора индуцирует в обмотках ротора ток, который в свою очередь создает вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.

Индукция – (латинского inductio — наведение) это явление, которое происходит при движении проводника в магнитном поле, приводящее к появлению в проводнике индукционного электрического тока. Этот ток создает свое магнитное поле вокруг каждого проводника обмотки ротора. Вращающееся магнитное поле создает вращающийся магнитный поток. Магнитное поле пропорционально напряжению, а магнитный поток пропорционален току.

Трёхфазное напряжение на обмотках статора создает магнитное поле. Магнитное поле статора движется быстрее ротора, это способствует наведению тока в проводниках обмотки ротора, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои магнитные потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставит ротор вращаться. Электродвигатели переменного тока очень часто называют еще индукционными электродвигателями. На вал ротора запрессовываются подшипники, которые при сборке электродвигателя вставляются в переднюю и заднюю крышки статора. Затем эти крышки стягиваются с помощью шпилек.

Асинхронные электродвигатели

 Электродвигатель, у которого ротор вращается с частотой не равной частоте вращения магнитного поля статора, называют асинхронным. Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать по формуле Ns=120*F/P, где F – частота сети, P – число полюсов электродвигателя. При частоте сети 50 Гц и двух полюсном двигателе, синхронная частота вращения Ns =120*50/2 Ns = 3000 мин–1.Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением количества полюсов. В таблице приведена синхронная частота для различного числа полюсов.

Частота вращения

Частота вращения

 Асинхронные электродвигатели переменного тока производятся на мощность от нескольких десятков ватт до 15000 кВт, и напряжение на обмотках статора достигает 6 кВ. Между статором и ротором имеется воздушный зазор, величина которого оказывает существенное влияние на рабочие свойства двигателя.В электродвигателях переменного тока вращающий момент возникает в результате взаимодействия вращающихся магнитных полей статора и ротора. Магнитное поле, возникающее в обмотках ротора, будет стремиться к тому, чтобы приблизиться к магнитному полю статора. Во время работы двигателя частота вращения ротора всегда ниже частоты вращения магнитного поля статора. Следовательно, магнитное поле ротора может пересекать магнитное поле статора и создавать вращающий момент. Если предположить, что в какой-то момент времени частота вращения ротора оказалась равной частоте вращения поля статора, то проводники обмотки ротора не будут пересекать магнитное поле статора и тока в роторе не будет. В этом случае вращающийся момент станет равным нулю, и частота вращения ротора уменьшится по сравнению с частотой вращения поля статора, пока снова не возникнет вращающейся момент, уравновешивающий тормозной момент, который складывается из момента нагрузки на валу и момента сил трения в двигателе. Разница в частоте вращения полей ротора и статора называется скольжением и измеряется в процентах.

Кроме многих положительных качеств: легкости в обслуживании, простой конструкции, а также низкой стоимости – асинхронный двигатель имеет и недостатки, наиболее существенным, из которых является относительно низкий коэффициент мощности (соs φ). У асинхронного двигателя соs φ, при полной нагрузке достигает 0,85-0,9; при малой нагрузке двигателя соs φ резко уменьшается, а при холостом ходе может составлять 0,2-0,3. Асинхронный двигатель потребляет большую реактивную мощность, необходимую для возбуждения магнитного поля, этим и объясняется низкий коэффициент мощности. Между ротором и статором в асинхронном двигателе существует воздушный зазор, и магнитный поток встречает на своем пути дополнительное сопротивление, а, следовательно, увеличивается и мощность, потребляемφая двигателем. В целях повышения соs φ в асинхронных двигателях воздушный зазор между статором и ротором стараются делать как можно меньшим, доводя его у двигателей малой мощности (2-5кВт) до 0,3 мм. Из-за конструктивных особенностей в двигателях большей мощности воздушный зазор приходится увеличивать до 2-2,5 мм.

На коммутационной колодке трехфазного двигателя имеется шесть зажимов, к которым подключаются начала и концы обмоток каждой фазы. Начало обмоток обозначены латинскими буквами U1, V1 и W1, а концы U2, V2, и W2. Обмотки могут быть соединены по схеме «звезда» или «треугольник» (см. рис).

Злектрическое подключение обмоток двигателя

Электрическое подключение обмоток двигателя

Это дает возможность подключить трехфазный двигатель на два разных напряжения.  Рабочие напряжения, при которых работает электродвигатель, указываются на фирменной табличке. На пример 220/380: двигатель может работать на напряжение 220 вольт при подключении обмоток в «треугольник» и 380 вольт при подключении в «звезду». Для более низких напряжений, указанных на фирменной табличке, обмотки статора соединяется в «треугольник», а для более высоких – в «звезду».

Чтобы изменить направление вращения ротора трехфазного двигателя, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, созданного обмотками статора. Это достигается путем изменения чередования фаз обмоток статора, для чего следует поменять местами любые из двух фаз на коммутационной колодке двигателя.

 Однофазные электродвигатели переменного тока

 Стандартный однофазный статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу. Одна из обмоток считается рабочей (основная), другая – пусковой (вспомогательная). Однофазные двигатели изготавливаются до мощности 2,2 кВт. В соответствии с количеством полюсов каждая обмотка может делиться не несколько секций. Принцип действия однофазных электродвигателей такой же, как и у трёхфазных, только с более низким пусковым моментом. Однофазные электродвигатели очень часто применяются в бытовой технике, а также там, где нет трехфазного напряжения. Однако между однофазным и трехфазным двигателем есть существенные различия. У однофазного двигателя нет бегущего магнитного поля, а происходит только смена полюсов один раз в каждом цикле. Это значит, что однофазный индукционный электродвигатель не может быть запущен в работу самостоятельно. Теоретически, однофазный электродвигатель можно запустить при помощи механического вращения ротора с последующим немедленным подключением питания. Однако на практике пуск однофазных электродвигателей осуществляется автоматически. Выделяют четыре основных типа запуска однофазных электродвигателей:

  • индукционный двигатель с пуском через конденсатор, и работа через обмотку (индуктивность);
  • индукционный двигатель с пуском через конденсатор, и работа через конденсатор;
  • индукционный двигатель с реостатным пуском;
  • индукционный двигатель с постоянной пусковой емкостью.

Наибольшее применение нашли электродвигатели, оснащенные конденсатором, который во время работы постоянно подключен и соединён последовательно с пусковой обмоткой. Таким образом, пусковая обмотка становится вспомогательной обмоткой, когда электродвигатель достигает рабочей частоты вращения. Асинхронные двигатели с рабочим конденсатором могут использоваться для выполнения различных задач в зависимости от их конструкции. В дополнение ко всему вышесказанному они являются самыми надёжными из всех однофазных электродвигателей. Типичным примером использования таких двигателей, являются низко инерционные нагрузки, на пример вентиляторы или насосы. Схема электрических соединений однофазного двигателя показано  на  (рис.)

Эл. схема однофазного двигателя

Электрическое подключение обмоток однофазного двигателя

 Для однофазных электродвигателей существуют некоторые ограничения. Однофазные электродвигатели ни в коем случае не должны работать в режиме холостого хода. Не рекомендуется также эксплуатировать однофазные двигатели при нагрузке меньшей 25% от полной, так как это вызывает повышение температуры внутри обмоток электродвигателя, что может привести к выходу его из строя

 Потребляемая мощность

Мощность двигателей на валу принято измерять в киловаттах (кВт). В США мощность двигателя принято измерять в лошадиных силах (HP). Если нужно перевести лошадиные силы в кВт, то необходимо значение в лошадиных силах умножить на 0,746. На пример 20 HP*0,746=14,92 кВт. И наоборот кВт можно перевести в л. с., для этого значение в киловаттах необходимо умножить на 1,34. Это значит, что 15 кВт*1,34=20,1 HP. Переводы различных единиц можно посмотреть здесь

Мощность P1 (кВт) – это мощность, которую электродвигатель потребляет от  электрической сети. Мощность P2 (кВт) – это мощность Р1 умноженная на КПД или полезная мощность.

Спасибо за оказанное внимание.

P.S. Понравился пост? Порекомендуйте его в социальных сетях своим друзьям и знакомым.

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Plus
[Google]

18 thoughts on “Электродвигатели переменного тока

  1. Pingback: Частотные преобразователи (инверторы) | Насосное оборудование и принадлежности

  2. Pingback: Мотопомпы | Насосное оборудование и принадлежности

  3. Pingback: Подшипники для электродвигателей | Насосное оборудование и принадлежности

  4. Pingback: Автоматы защиты электродвигателей | Насосное оборудование и принадлежности

  5. Pingback: Мощность и КПД центробежных насосов | Насосное оборудование и принадлежности

  6. Pingback: Техническое обслуживание асинхронных электродвигателей | Насосное оборудование и принадлежности

  7. Pingback: Реле контроля фаз | Насосное оборудование и принадлежности

  8. Pingback: Конденсаторы для асинхронных двигателей | Насосное оборудование и принадлежности

  9. Pingback: Вибровставки или компенсаторы | Насосы и принадлежности

  10. Pingback: Конденсаторы для асинхронных двигателей | Насосы и принадлежности

  11. Pingback: Реле контроля фаз | Насосы и принадлежности

  12. Pingback: Техническое обслуживание асинхронных электродвигателей | Насосы и принадлежности

  13. Pingback: Мощность и КПД центробежных насосов | Насосы и принадлежности

  14. Pingback: Подшипники для электродвигателей | Насосы и принадлежности

  15. Pingback: Мотопомпы | Насосы и принадлежности

  16. Pingback: Частотные преобразователи (инверторы) | Насосы и принадлежности

  17. Евгений

    Огромное спасибо за детальное описание. Прочитал много сайто. У Вас оказалось все доступно и понятно написано и илюстрировано!

  18. Pingback: Однофазные и трёхфазные асинхронные двигатели | Насосы и принадлежности

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *