Принцип работы трёхфазного двигателя

Электродвигателем называется такое электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию. При использовании трёхфазной системы переменного тока, наиболее широко используется трёхфазный асинхронный двигатель, так как этот тип двигателя не требует в большинстве случаев пускового устройства. Большинство трёхфазных асинхронных двигателей запускается в работу с помощью прямого пуска с использованием коммутационных аппаратов.

Для лучшего понимания принципа работы трёхфазного асинхронного двигателя, необходимо знать его основные конструкционные особенности.

Этот двигатель состоит из двух основных частей, неподвижной части – статора, и вращающейся части – ротора.

Статор трёхфазного асинхронного двигателя имеет слоты (пазы), в которых размещаются обмотки на каждую фазу. Трёхфазная обмотка расположена таким образом, чтобы быть способной создать вращающееся магнитное поле при протекании по обмоткам переменного тока (AC) от трёх источников питания.

Ротор трёхфазного асинхронного двигателя состоит из цилиндрического ламинированного сердечника имеющего параллельные пазы на периферии. В этих пазах расположены проводники, которые замкнуты на конечных кольцах с торцов ротора. Эти проводники в виде стержней образуют короткозамкнутую обмотку ротора типа «беличья клетка».

Проводники на роторе выполнены обычно из алюминия, а также могут быть сделаны из меди или латуни. Пазы для проводников немного повёрнуты на поверхности ротора, поэтому они расположены под некоторым углом к валу ротора. Такое расположение позволяет уменьшить магнитное сцепление в момент пуска двигателя, а также сделать работу двигателя плавной, без рывков и пробуксовки.

Как работает трёхфазный асинхронный двигатель?

Прежде всего, для работы трёхфазного асинхронного двигателя, необходимо создать вращающееся магнитное поле.

Создание вращающегося магнитного поля

Обмотки, которые расположены на статоре, равномерно смещены на 120 градусов относительно друг друга. Обмотка каждой фазы смещена относительно двух других на угол 120 градусов, то есть по обе стороны через 120 градусов расположены соседние фазы. Статор представляет собой полый цилиндр, который в сечении представляет собой кольцо. Внутри такого цилиндра расположен ротор. Три источника тока, отличатся друг от друга фазовым сдвигом. Этот сдвиг также составляет 120 градусов. В итоге, при прохождении трёхфазного переменного тока в обмотках статора, внутри статора образуется вращающееся магнитное поле.

В чем секрет создания вращения магнитного поля? Так как ток переменный, то создаваемое каждой фазой магнитное поле будет также переменным. Магнитный поток, который порождается прохождением тока в каждой обмотке, будет изменяться во времени точно также как породивший его ток. В то время когда один магнитный поток от первой фазы будет возрастать по величине, магнитный поток от второй фазы достигнет своего максимального значения и начнёт убывать по величине, магнитный поток от третьей фазы будет всё более уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения.

Магнитный поток переменного синусоидального тока любой из фаз изменяется по величине и направлению, тем самым чередуясь и пульсируя. Там где ранее был северный магнитный полюс, становится южный, а там где был южный полюс, там на его месте образуется северный полюс. Магнитное поле как бы пульсирует, но не вращается. Если пространственно равномерно по окружности расположить три катушки (соленоиды) так, чтобы их сердечники были направлены к центру окружности, а затем соединить в один общий магнитопровод наружные концы соленоидов (катушек), то мы получим прототип статора трёхфазного асинхронного двигателя. Подключив каждую катушку к источнику переменного тока, а именно к трём разным фазам, которые сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов, мы получим не пульсирующее, а вращающееся магнитное поле.

По той причине, что магнитопровод будет общим, пульсирующие магнитные потоки от каждой катушки будут складываться с учётом направления и величины, тем самым образуя вращающийся вектор магнитного потока. Это удивительно, потому как статор неподвижен, но представляет собой магнит, поле такого магнита вращается, но статор остаётся неподвижен!!!

Как же преобразуется в дальнейшем электрическая энергия в механическую энергию? Если в статор, по обмоткам которого протекает трёхфазный ток и, соответственно, внутри него сосредоточено вращающееся магнитное поле, внести металлический предмет, то на него будет действовать механическая сила, которая будет пытаться этот предмет выкинуть из поля статора.

Как такое происходит? Магнитный поток статора индуцирует в короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя ЭДС, так как цепь ротора замкнута, то по ней будет протекать электрический ток, который создаст второй магнитный поток – поток ротора. Взаимодействие двух встречных потоков ротора и статора создаст крутящий момент на роторе, и он начнёт вращаться. В соответствии с законом Ленца, ротор будет вращаться в том направлении, которое позволяет уменьшить магнитный поток статора.

Следует заметить, что принцип работы асинхронного двигателя не допускает синхронной скорости ротора с магнитным полем статора. В этом случае исчезнет ЭДС индукции в роторе, и ротор начнёт останавливаться. Синхронизация не достижима для асинхронного электродвигателя, скорость ротора в двигательном режиме может быть меньше скорости вращения магнитного поля.

Если ротору придать дополнительный крутящий момент от внешнего механического источника, так, чтобы его скорость стала больше чем скорость вращающегося магнитного поля статора, тогда электрическая машина перейдёт в генераторный режим работы, при котором происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию.

Разница скоростей между статором и ротором позволяет говорить о таком явлении как скольжение ротора в магнитном поле статора. Необходимо помнить, что асинхронная электрическая машина переменного тока – это обратимая машина, которая может работать как в генераторном, так и двигательном режимах.

Краткие практические выводы по трёхфазному асинхронному двигателю

1. Отсутствует необходимость в контактных кольцах на роторе и в щёточном механизме.
2. Асинхронный трёхфазный двигатель является самозапускающимся, так как создаётся вращающееся магнитное поле, а не пульсирующее.
3. Отсутствие щёточного механизма и щёток исключает искрение контактов в работе двигателя.
4. Долговечность конструкции при правильной эксплуатации и обслуживании.
5. Экономичность, высокая эффективность (КПД).
6. Простота в обслуживании.

Дата: 26.01.2016

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

Устройство и принцип работы трехфазных электродвигателей

Наибольшее распространение в промышленности, сельском хозяйстве и быту среди трехфазных электродвигателей получили асинхронные электродвигателя с короткозамкнутым ротором благодаря их простоте устройства, надежности и дешевизне. Поэтому на примере именно такого электродвигателя мы и будем рассматривать их устройство и принцип работы.

Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора.

Статор — неподвижная часть электродвигателя. Он состоит из следующих элементов:

• станина (корпус) которая, как правило, выполняется ребристой для лучшего охлаждения, т.к. в процессе работы сердечник статора с обмотками нагреваются. Так же станина имеет лапы для крепления электродвигателя.
• сердечник статора — набирается из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко) и имеет зубчатую форму (пазы) и имеет следующий вид:

• обмотки статора — выполняются медными проводами которые укладываются в пазы сердечника, концы обмоток для подключения к электрической сети выводятся в клемную коробку.

Ротор — вращающаяся часть электродвигателя. Ротор состоит из следующих элементов:

• вал — выполняется из стали служит для передачи механической энергии на рабочий механизм.
• сердечник ротора — насаживается на вал, так же как и сердечник статора выполняется из отдельных листов электротехнической стали
• обмотка ротора — как правило имеет короткозамкнутое исполнение, часто короткозамкнутую обмотку ротора называют «беличьим колесом» из-за внешнего сходства. Короткозамкнутая обмотка ротора имеет следующий вид:

Ротор удерживается в центре статора подшипниковыми щитами.

Принцип работы электродвигателя довольно прост и основан на принципе вращающегося электромагнитного поля.

На рисунке выше представлен медный диск прикрепленный к валу на подшипнике напротив которого расположен постоянный магнит. Если начать вращать постоянный магнит то его магнитное поле пересекающее медный диск начнет так же вращаться, т.е. создастся вращающееся магнитное поле которое согласно закону электромагнитной индукции создают в медном диске токи индукции. Данные токи, протекая по диску, создают собственное электромагнитное поле, которое, в свою очередь, вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к вращению диска.

Таким же образом работает и трехфазный электродвигатель, однако в нем вращающееся магнитное поле создается с помощью специального расположения обмоток статора, которые смещены в пространстве относительно друг друга на 120о, такое расположение при протекании по ним трехфазного тока приводит к возникновению вращающегося электромагнитного поля.

Видео воздействия вращающегося электромагнитного поля статора на металлический контур (в качестве контура в данном случае выступает обычное лезвие):

Вращающееся магнитное поле статора воздействуя на обмотку ротора приводит к возникновению в ней индукционных токов, которые протекая через обмотку ротора создают собственное электромагнитное поле, взаимодействие этих полейприводит ротор во вращение.

Так же как и магнит статор электродвигателя имеет полюса, однако в отличие от постоянного магнита полюсов в электродвигателе может быть больше двух, при этом их всегда четное количество. Количество полюсов в статоре напрямую влияет на скорость вращения магнитного поля и соответственно на скорость вращения ротора. Частота вращения магнитного поля (синхронная частота) определяется по формуле:

n=60*f/p

где: f — частота тока в станах СНГ частота тока составляет 50 Гц (Герц); p — количество пар полюсов.

Чем больше полюсов у двигателя тем меньше частота его вращения. Например, расчитаем частоту вращения электродвигателя с четырьмя полюсами:

Четыре полюса — это 2 пары полюсов, соответственно:

n=60*f/p=60*50/2=1500 об/мин

Т.е. синхронная частота вращения магнитного поля статора 1500 об/мин, при этом частота вращения ротора при этом будет немного меньше может составлять 1400-1450 об/мин.

Относительная величина отставания вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора называется скольжением, она выражается в процентах и определяется по формуле:

S=(n1-n2)/n1*100%

где: n1 — синхронная частота вращения, об/мин; n2 — частота вращения ротора (асинхронная частота вращения), об/мин.

Видео с описанием устройства и принципа действия трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

↑ Наверх

Принцип работы трёхфазного асинхронного двигателя

Наиболее распространённым в промышленности типом двигателя переменного тока является трёхфазный асинхронный двигатель, изобретённый в 1888г. М. О. Доливо-Добровольским.

Рис. 43. Трёхфазный асинхронный двигатель

В пазах статора размещены три катушки, плоскости которых смещены одна относительно другой на 120°. Катушки соединены звездой. При подключении трёхфазной системы ЭДС к зажимам А, В, С в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле. В пазах ротора находятся три замкнутые на себя или на внешние сопротивления катушки (рис. 43).

Круговое вращающееся магнитное поле с угловой скоростью ω пересекает провода катушек неподвижного ротора и наводит в них ЭДС, и в катушках ротора потекут токи. По закону Ленца эти токи стремятся своим магнитным полем ослабить вызывающее их магнитное поле.

Механическое взаимодействие токов ротора с вращающимся магнитным полем приведёт к тому, что ротор начнёт вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле (правило левой руки).

Ротор вращается асинхронно, т.е. частота вращения его ωрменьше частоты вращения магнитного поля ω. Отсюда и название двигателя асинхронный.

Разность частот вращения поля и ротора отнесённая к скорости поля, называется скольжением:

(132)

Скольжение не может быть равно нулю, так как при одинаковых частотах вращения поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы вращающийся момент.

В рабочем режиме асинхронный двигатель находится в динамическом равновесии, когда создаваемый благодаря скольжению вращающий момент уравновешивает тормозящий момент нагрузки на его валу. С увеличением механической нагрузки тормозящий момент становится больше вращающего и скольжение увеличивается. Вследствие этого возрастают индуктированные в обмотке ротора ЭДС и токи, что вызывает увеличение вращающегося момента до нового состояния динамического равновесия (при большем скольжении).

Однако вращающий момент может расти с увеличением скольжения только до определённого предела, так называемого критического значения при критическом скольжении, после чего он падает, а двигатель затормаживается. В этот момент должна сработать максимальная токовая защита, иначе двигатель сгорит.

При нормальной нагрузке скольжение асинхронных двигателей в среднем составляет 2 – 4 %.

Принцип работы трёхфазного синхронного двигателя

Трёхфазный синхронный генератор, как и многие другие типы электрических машин, обладает свойством обратимости: он может работать как синхронный двигатель. Поэтому конструктивно синхронный двигатель мело отличается от синхронного генератора.

Если присоединить обмотку статора к трёхфазной системе ЭДС, а обмотку возбуждения ротора – к источнику постоянного тока, то вращающееся магнитное поле статора будет периодически создавать на валу моменты разных знаков. Поэтому ротор не сможет прийти во вращение – он будет вибрировать.

Для пуска двигателя необходимо сначала (при разомкнутой обмотке ротора) привести ротор во вращение от внешнего двигателя до частоты вращения, близкой к частоте вращения поля. Если после этого включить обмотку возбуждения ротора, то двигатель «втянется в синхронизм». Ротор будет вращаться синхронно с полем статора.

Ротор представляет собой электромагнит постоянного тока с явно выраженными полюсами. При втягивании в синхронизм ось поля ротора стремиться совпасть с результирующим вектором магнитной индукции .

Для пуска синхронного двигателя может быть использована специальная пусковая обмотка, действующая так же, как в асинхронном двигателе.

При строго синхронном вращении ротора имеется угловой сдвиг между осями полей статора и ротора, зависящий от нагрузки (от момента сопротивления на валу). С увеличением нагрузки этот угол увеличивается, благодаря чему момент вращения так же увеличивается. Максимальный вращающий момент получается при угле между ЭДС двигателя и напряжением сети около 90°, после чего дальнейшее увеличение нагрузки приводит к остановке двигателя и «выпадению» его из синхронизма.

Если изменять постоянный ток в цепи возбуждения ротора, то можно в широких пределах регулировать cosϕ двигателя. Так, при «недовозбуждённом» двигателе уголϕ положительный, т.е. ток отстаёт от напряжения, а при «перевозбуждённом» двигателе уголϕ отрицательный – ток опережает напряжение. Это свойство синхронных двигателей весьма ценно и широко используется в промышленности для повышенияcosϕэлектроустановок.

Синхронные двигатели выполняются обычно для номинальных режимов работы про cos= 1 иcos= 0,8 (опережающем).

Устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя

То, что асинхронные двигатели сегодня используются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, необходимо поклониться русскому инженеру М.О. Доливо-Добровольскому. Именно он в 1889 году (а точнее 8 марта) изобрел трехфазный асинхронный двигатель, который преобразовывает электроэнергию в энергию механическую (вращения). Это, по сути, стало прорывом в технике и началом новой эры.

Самое главное, что электрические моторы данного типа оказались очень надежными, их производство достаточно простое, что влияет на небольшую себестоимость изделия. Плюс несложная конструкция, которая легко поддается не только производству, но и ремонту. Если обратиться к статистическим данным, то по ним можно сделать вывод, что асинхронные двигатели являются самыми производимыми в мире. На их счет приходится до 90% выпуска. Так что цифры говорят сами за себя.

Но почему эти приборы названы асинхронными? Все дело в том, что частота вращения магнитного поля статора всегда больше вращения ротора. Кстати, у электродвигателей этого типа принцип работы основан именно на вращении магнитного поля.

Принцип работы двигателя

Чтобы понять, как работают электродвигатели асинхронные трехфазные, необходимо провести один несложный эксперимент. Для этого вам понадобиться обычный магнит подковообразного типа и медный стержень. При этом магнит надо хорошо закрепить к рукоятке, с помощью которой его можно крутить на одном месте вокруг своей оси. Медный стержень закрепляется в подшипниках и устанавливается в пространство между концами (полюсами) магнита-подковы. То есть, стержень оказывается как бы внутри магнита, а, точнее сказать, внутри его плоскости вращении.

Теперь надо просто вращать магнитное устройство за ручку. Лучше по часовой стрелке. Так как между полюсами есть магнитное поле, то оно также будет вращаться. При этом поле будет пересекать или рассекать своими силовыми линиями медный стержень-цилиндр. И тут включается закон электромагнитной индукции. То есть, внутри медного стержня начнут возникать вихревые токи. Они, в свою очередь, начнут образовывать свое собственное магнитное поле, которое будет взаимодействовать с основным магнитным полем.

При этом стержень начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит. И вот тут возникает один момент, который также лежит в принципе работы электродвигателя. О нем было уже упомянуто. Если скорость вращения стержня будет такое же, как у магнита, то их силовые линии пересекаться не будут. То есть, вращения не будет в виду отсутствия вихревых токов.

И еще пару нюансов:

• Магнитное поле вращается с той же скоростью, что и сам магнит, поэтому скорость называют синхронной.
• А вот стержень вращается с меньшей скоростью, поэтому ее и называют асинхронной. Отсюда, в принципе, название и самого электрического мотора.

Внимание! Разница скоростей вращения магнитных полей не очень большая. Эту величину называют скольжением.

Кстати, определить величину скольжения несложно, для этого необходимо воспользоваться формулой:

S=n-n1/n, где

• S – это величина скольжения;
• n – скорость вращения магнита;
• n1 – скорость вращения ротора.

Устройство двигателя

Конечно, показанное выше устройство назвать электродвигателем никак нельзя, потому что для примера был использован магнит, которого в моторе просто нет. Поэтому необходимо создать такую конструкцию, в которой электрический ток создавал бы это самое магнитное поле. К тому же оно должно еще и вращаться. Русскому ученому это оказалось под силу с помощью трехфазного переменного тока.

Поэтому в конструкции трехфазного асинхронного двигателя установлены три обмотки, расположенные относительно друг друга под углом в 120º. Каждая обмотка подсоединена к фазному контуру трехфазной сети переменного тока. Обмотки закрепляются к статору, который собой представляет металлический сердечник в виде полого корпуса. Они же закрепляются к полюсам сердечника.

Внимание! У каждой обмотки два свободных конца. Один соединяется с фазой сети, второй с двумя другими концами двух других обмоток, то есть, в единый контур.

Внутри полого сердечника на подшипниках закрепляется ротор. По сути, это тот же стержень-цилиндр. Ниже показана схема подключения обмоток и расположение ротора.

Как только электрический ток начинает подаваться на обмотки, образуется вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ротор, заставляя его вращаться тоже.

Как работает

Чтобы понять принцип действия трехфазного асинхронного двигателя, необходимо рассмотреть график его работы. Чтобы облегчить данную задачу, предлагаем рассмотреть схему, расположенную ниже.

• Итак, позиция «А». В ней на первом полюсе фаза равна нулю, второй полюс является северным, то есть, отрицательным, в третьей фазе положительный заряд. Поэтому ток движется по стрелкам, указанным на рисунке. Тот, кто забыл школьную программу физики, напоминаем, что движение магнитного поля действует по правилу правой руки. Значит, вращение его будет направлено от севера к югу, то есть, от второй катушки (обмотки) к третьей.
• Позиция «Б». Теперь ноль расположен на второй обмотке, на первой юг (плюс), на третьей север (минус). То есть, магнитный поток будет теперь направлен от катушки №3 на катушку №1. Получается так, что полюсы сместились на 120º.
• В позициях «В» и «Г» произошли точно такие же сдвиги полюсов на 120º.

Смена полярности создает вращение магнитного потока, который в свою очередь увлекает за собой ротор. Последний начинает вращаться. Как было сказано выше, из энергии электрической получается энергия вращения (механическая).

Внимание! Если поменять местами вторую и третью обмотку, то вращение электродвигателя начнется в противоположную сторону. Конечно, сами обмотки не переставляются, а просто производится смена подключения к разным фазам сети.

Нами была рассмотрена конструкция электродвигателя асинхронного трехфазного с тремя обмотками на статоре, в котором используется двухполюсная схема магнитного поля. Число его оборотов вращения равна числу колебаний электрического тока в минуту. Если в сети переменного тока число колебания в секунду равно 50 Гц, то за минуту это значение станет 3000 (об/мин).

Но в статор можно заложить не три обмотки. К примеру, можно установить шесть или десять. При этом магнитное поле станет четырехполюсным и шестиполюсным соответственно. При этом измениться и скорость вращения ротора. В первом случае она будет равна: (50X60)/2=1500 об/мин. Во втором: (50X60)/3=1000 об/мин.

Выше нами уже упоминалось, что существует определенное отставание вращения ротора от вращения магнитного поля. Правда, это значение незначительно. К примеру, в холостом режиме работы данный показатель будет всего лишь 3%, при действующих нагрузках 5-7%. Даже 7% – значение небольшое, что и является одним из достоинств асинхронного двигателя.

Как использовать

К сожалению, не во всех частных домах есть трехфазное напряжение. Поэтому подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети производится через конденсаторы определенной емкости. Обычно расчет ведется в соответствии: на 1 кВт мощности 70 мкФ емкости. Но есть в этом деле еще одна проблема – невозможность регулировать скорость вращения ротора. Поэтому специалисты рекомендуют подключить к мотору регулятор частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

• Во-первых, установив его, отпадает необходимость устанавливать конденсаторы.
• Во-вторых, с помощью данного устройства выравнивается мощность электродвигателя до номинальной.
• В-третьих, можно регулировать частоту вращения, а также повышать ее больше номинала.
• В-четвертых, можно регулировать пусковой момент.

Эти устройства сегодня продаются в специализированных магазинах, но нет проблем их сделать и своими руками.

Ротор

По конструкции ротора электродвигатели асинхронные делятся на две группы:

1. С фазным ротором.
2. Короткозамкнутым.

Первый вариант – это двигатели с большой мощностью, которым необходим большой пусковой момент. В конструкции их ротора установлены контактные кольца. Второй вариант – это конструкция, в пазы которой заложены медные стержни. Это типичные электродвигатели, простые и дешевые. Но у них есть пара недостатков: большой пусковой ток и слабое усилие при начале вращения.

Технические характеристики

На что обычно надо обратить внимание, выбирая электродвигатели? Технических характеристик, в принципе, немного. Это мощность, измеряемая в кВт, скорость вращения ротора в об/мин. Все остальные технические характеристики не столь важны именно для выбора. Хотя, к примеру, масса изделия может помочь рассчитать нагрузку на подставку или монтажную раму.

Заключение по теме

Итак, были рассмотрены асинхронные электродвигатели – электрическое оборудование, которое нередко используется в частных домах для бытовых нужд. Устройство и принцип работы мотора вам теперь понятно, а вот как правильно подключить двигатель к однофазной сети, читайте в другой статье.