Прилади із електричним двигуном. Асинхронний двигун: принцип роботи та пристрій. Підключення до однофазних та трифазних джерел живлення

В основу роботи будь-яких електродвигунів покладено принцип електромагнітної індукції. Електродвигун складається з нерухомої частини - статора (для асинхронних і синхронних двигунів змінного струму) або індуктора (для двигунів) постійного струму) і рухомий частини - ротора (для асинхронних і синхронних двигунів змінного струму) або якоря (для двигунів постійного струму). У ролі індуктора на малопотужних двигунах постійного струму нерідко використовуються постійні магніти.

Всі двигуни, грубо кажучи, можна поділити на два види:
двигуни постійного струму
двигуни змінного струму (асинхронні та синхронні)

Двигуни постійного струму

На деякі думки даний двигунможна ще назвати синхронною машиною постійного струму з самосинхронізацією. Простий двигун, що є машиною постійного струму, складається з постійного магнітуна індукторі (статорі), 1-го електромагніта з явно вираженими полюсами на якорі (двохзубцевого якоря з явно вираженими полюсами і з однією обмоткою), щітково-колекторного вузла з 2-ма пластинами (ламелями) і 2-ма щітками.
Простий двигун має 2 положення ротора (2 "мертві точки"), з яких неможливий самозапуск, і нерівномірний момент, що крутить. У першому наближенні магнітне поле статора полюсів рівномірне (однорідне).

Дані двигуни з наявністю щітково-колекторного вузла бувають:

Колекторні - електричний пристрій, В якому датчиком положення ротора і перемикачем струму в обмотках є один і той самий пристрій - щітково-колекторний вузол.

Безколекторні- замкнута електромеханічна система, що складається з синхронного пристрою з синусоїдальним розподілом магнітного поля в зазорі, датчика положення ротора, перетворювача координат та підсилювача потужності. Більш дорогий варіант порівняно з колекторними двигунами.

Двигуни змінного струму

За типом роботи дані двигуни поділяються на синхронні та асинхронні двигуни. Важливе відмінність у тому, що у синхронних машинах перша гармоніка магнитодвижущей сили статора переміщається зі швидкістю обертання ротора (тому сам ротор крутиться зі швидкістю обертання магнітного поля в статорі), а асинхронних — є і залишається різниця між швидкістю обертання ротора і швидкістю обертання магнітного поля в статорі (поле крутиться швидше за ротор).

Синхронний- двигун змінного струму, ротор якого крутиться синхронно з магнітним полем напруги живлення. Ці двигуни зазвичай використовуються при великих потужностях (від сотень кіловат і вище).
Є синхронні двигуни з дискретним кутовим рухом ротора. крокові двигуни. У них це положення ротора фіксується подачею живлення на відповідні обмотки. Перехід в інше положення виконується шляхом зняття напруги живлення з одних обмоток та передачі його на інші обмотки двигуна.
Ще один вид синхронних двигунів - вентильний реактивний електродвигун, живлення обмоток якого складається за допомогою напівпровідникових елементів.

Асинхронний- Двигун змінного струму, в якому частота обертання ротора відрізняється від частоти крутного магнітного поля, що створюється напругою живлення, друга назва асинхронних машин - індукційні обумовлено тим, що струм в обмотці ротора індукується обертовим полем статора. Асинхронні машиниСьогодні оформлюють більшу частину електричних машин. В основному вони використовуються у вигляді електродвигунів і вважаються ключовими перетворювачами електричної енергії в механічну, причому в основному використовуються асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором

За кількістю фаз двигуни бувають:

• однофазні
• двофазні
• трифазні

Найпопулярніші та широко затребувані двигуни які застосовуються у виробництві та побутовому господарстві:

Однофазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором

Однофазовий асинхронний двигун має на статорі лише 1 робочу обмотку, на яку в ході роботи двигуна подається змінний струм. Хоча для запуску двигуна на його статорі є і допоміжна обмотка, яка короткостроково підключається до мережі через конденсатор або індуктивність, або замикається коротко пусковими контактами рубильника. Це необхідно для створення вихідного зсуву фаз, щоб ротор почав крутитися, інакше пульсуюче магнітне поле статора не зрушило б ротор з місця.

Ротор такого двигуна, як і будь-якого іншого асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, являє собою циліндричний сердечник з залитими алюмінієм пазами, з одночасно відлитими вентиляційними лопатями.
Такий ротор називається короткозамкнутим ротором. Однофазові двигуни застосовуються в малопотужних пристроях, у тому числі кімнатні вентилятори або дрібні насоси.

Двофазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором

Двофазні асинхронні двигуни найефективніші під час роботи від однофазової мережі змінного струму. Вони містять на статорі дві робочі обмотки, що знаходяться перпендикулярно, при цьому одна з обмоток підключається до мережі змінного струму безпосередньо, а друга - через фазозсувний конденсатор, так виходить магнітне поле, що крутиться, а ось без конденсатора ротор би не рушив з місця.

Ці двигуни також мають короткозамкнутий ротор, а їх використання набагато ширше, ніж у однофазних. Тут уже й пральні машинки, та різні верстати. Двофазні двигуни для живлення від однофазних мереж називають конденсаторними двигунами, тому що фазозсувний конденсатор вважається часто обов'язковою їхньою частиною.

Трифазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором

Трифазний асинхронний двигун має на статорі три робочі обмотки, зсунуті порівняно один одного так, що при підключенні в трифазну мережу їх магнітні поля виходять зміщеними в просторі порівняно один одного на 120 градусів. При включенні трифазного мотора до трифазної мережі змінного струму, з'являється магнітне поле, що крутиться, що приводить в переміщення короткозамкнутий ротор.

Обмотки статора трифазного двигуна можна з'єднати за схемою «зірка» або «трикутник», причому для живлення двигуна за схемою «зірка» потрібно напруга вище, ніж для схеми «трикутник», і на двигуні, тому, вказуються дві напруги, наприклад: 127/220 чи 220/380. Трифазні двигуни незамінні для приведення в дію різних верстатів, лебідок, циркулярних пилок, підйомних кранів і т.п.

Трифазний асинхронний двигун із фазним ротором

Трифазний асинхронний двигун з фазним ротором має статор подібний до описаних вище типів двигунів, шихтований магнітопровід з трьома укладеними в його пази обмотками, але в фазний ротор не залиті алюмінієві стрижні, а укладена вже реальна трифазна обмотка. Кінці зірки обмотки фазного ротора виведені на три контактних кільця, насаджених на вал ротора, та електрично відокремлених від нього.

За допомогою щіток, на кільця також подається трифазна змінна напруга, і включення може бути здійснене як безпосередньо, так і через реостати. Безумовно, двигуни з фазним ротором коштують дорожче, але їх пусковий момент під навантаженням значно вище, ніж у типів двигунів з короткозамкненим ротором. Саме внаслідок підвищеної сили і великого пускового моменту, цей вид двигунів знайшов застосування в приводах ліфтів і підйомних кранів, тобто там, де пристрій запускається під навантаженням а не в неодружену, як у двигунів з короткозамкненим ротором.

Розгляньте їх пристрій, принцип дії, сферу застосування. Варто зазначити, що сьогодні в промисловості понад 95 відсотків всіх двигунів, що використовуються, припадає на асинхронні машини. Вони набули великого поширення у зв'язку з тим, що у них висока надійністьВони можуть служити дуже довго за рахунок своєї ремонтопридатності.

Принцип роботи асинхронних двигунів

Щоб зрозуміти, як функціонує електродвигун можна провести невеликий експеримент. Звичайно, для цього знадобиться наявність спеціального інструменту. Встановіть магніт у формі підкови так, щоб він рухався за допомогою ручки. Як ви знаєте, магніт має два полюси. Між ними необхідно розташувати циліндр, виготовлений із міді. З таким розрахунком, що може вільно навколо своєї осі обертатися. Тепер сам експеримент. Починаєте розкручувати магніт, при цьому створюється поле, що рухається. Усередині мідного циліндра починають виникати протидіючі полю магніту.

В результаті цього мідний циліндр починає обертання в той бік, в який рухається. Причому його швидкість виявляється дещо нижчою. Причина цього - за рівної швидкості силові лінії перестають перетинатися з полем магніту. Магнітне поле обертається синхронно. І це швидкість руху самого магніту несинхронна. А якщо трохи скоротити визначення, то асинхронна. Звідси назва електричної машини — асинхронного електродвигуна. Якщо грубо, то схема електродвигуна змінного струму приблизно така сама, як і в наведеному експерименті. Тільки магнітне поле створюється обмоткою статора.

Двигуни постійного струму

Вони дещо відрізняються від асинхронних електродвигунів змінного струму. По-перше, у ньому є одна або дві статорні обмотки. По-друге, спосіб зміни частоти обертання ротора дещо інший. Але напрямок обертання ротора змінюється переполюсовкою (у асинхронних машин змінюються місцями фази мережі живлення). Змінити швидкість ротора двигуна постійного струму можна, якщо збільшити або зменшити напругу, що подається на обмотку статора.

Не може працювати без обмотки збудження, що знаходиться на роторі. Передача напруги відбувається з допомогою щіткового вузла. Це найненадійніший елемент конструкції. Щітки, виготовлені з графіту, з часом стираються, що призводить до виходу з ладу двигуна, йому потрібний ремонт. Зауважте, що електродвигуни постійного і змінного струму мають одні й самі елементи, але їх конструкції відрізняються істотно.

Конструкція електродвигуна

Як і будь-яка інша нестатична електрична машина, асинхронний двигун складається з двох основних частин – статора та ротора. Перший елемент нерухомий, на ньому розміщуються три обмотки, які з'єднуються за певною схемою. Ротор є рухомим, його конструкція називається «біличою клітиною». Причина такої назви в тому, що внутрішній пристрій схожий на колесо з білкою.

Останньої, звичайно, немає в електродвигуні. Центрівка ротора здійснюється за допомогою двох кришок, що встановлюються на статорі. Вони є підшипники, які полегшують обертання. На задній частині електродвигуна встановлюється крильчатка. За її допомогою проводиться охолодження електричної машини. На статорі зроблені ребра, які покращують тепловіддачу. Таким чином електродвигуни змінного струму працюють у нормальному тепловому режимі.

Статор асинхронного двигуна

У статора сучасних асинхронних електродвигунів полюси невиражені. Якщо говорити простіше, то всередині вся поверхня ідеально гладка. З метою зменшення втрат на вихрових струмах сердечник набирається з дуже тонких листів сталі. Ці листи дуже щільно прилягають один до одного і згодом закріплюються в корпусі зі сталі. Статор має пази для закладання обмоток.

Обмотки виготовлені із мідного дроту. З'єднання їх виробляється у «зірку» чи «трикутник». У верхній частині корпусу є невеликий щиток, повністю ізольований. У ньому знаходяться контакти для підключення та з'єднання обмоток. Причому з'єднати обмотки можна за допомогою перемичок, що встановлюються у цьому щитку. Пристрій електродвигуна змінного струму дозволяє швидко провести з'єднання обмоток потрібну схему.

Ротор асинхронного електродвигуна

Про нього вже було трохи сказано. Він схожий на білу клітку. Конструкція ротора збирається із тонких сталевих листів, як і статора. У пазах ротора є обмотка, але вона може бути декількох типів. Все залежить від того, чи фазний або короткозамкнений ротор. Найбільш поширені останні конструкції. Товсті мідні стрижні укладаються у пази без ізоляційного матеріалу. З обох кінців ці стрижні з'єднуються мідними кільцями. Іноді замість "біличної клітини" застосовуються литі ротори.

Але є електродвигуни змінного струму з фазним ротором. Вони використовуються набагато рідше, переважно для електродвигунів, у яких дуже велика потужність. Другий випадок, коли необхідно використовувати фазні ротори в електродвигунах - створення великого зусилля в момент запуску. Щоправда, для цього необхідно використати спеціальний реостат.

Способи запуску асинхронного електродвигуна

Запустити асинхронний електродвигун змінного струму нескладно, достатньо лише підключити обмотки статора в трифазну мережу. Здійснюється підключення за допомогою магнітних пускачів. Завдяки ним можна практично автоматизувати запуск. Навіть реверс можна зробити без особливих труднощів. Але в деяких випадках необхідно знижувати напругу, яка підводиться до обмоток статора.

Це робиться завдяки використанню схеми підключення типу «трикутник». При цьому запуск здійснюється, коли обмотки з'єднані за схемою «зірка». При збільшенні числа оборотів, досягненні максимального значенняобмотки необхідно переключити на схему трикутник. При цьому відбувається зменшення споживаного струму приблизно втричі. Але необхідно враховувати, що кожен статор може нормально функціонувати при підключенні за схемою «трикутник».

Регулювання частоти обертання

У промисловості та побуті все більшої популярності набувають частотні перетворювачі. З їхньою допомогою можна легким рухом руки змінити швидкість обертання ротора. Варто зауважити, що електродвигуни змінного струму використовуються разом із частотними перетворювачами у більшості механізмів. Він дозволяє здійснити тонке налаштування приводу, при цьому немає необхідності використовувати магнітні пускачі. Усі органи управління підключаються до контактів на частотному перетворювачі. Налаштування дозволяють змінювати час розгону ротора електродвигуна, його зупинки, час мінімальної та максимальної швидкості, а також безліч інших захисних функцій.

Висновок

Тепер ви знаєте, як відбувається робота електродвигуна змінного струму. Навіть вивчили конструкцію найпопулярнішого асинхронного двигуна. Він є найдешевшим із усіх, які представлені на ринку. Крім того, для нормального функціонування немає необхідності використовувати різні допоміжні пристрої. Зокрема, реостати. І тільки таке доповнення, як частотний перетворювач, здатне полегшити експлуатацію асинхронного електродвигуна, суттєво розширити його можливості.

Є пристроєм для перетворення електричної енергії в механічну та приведення в рух машин та механізмів. Електродвигун – головний та обов'язковий (але не єдиний) елемент електроприводу.

Перші електродвигуни були винайдені ще в першій ХІХ ст., а з кінця того ж століття стали набувати все більшого поширення. Сучасні промисловість, транспорт, комунальне господарство, побут вже неможливо уявити без електричних двигунів.

Переважна більшість електричних двигунів є двигунами обертального руху (рис. 1). Вони складаються з нерухомої частини (статора) та рухомої (ротора). Ротор починає обертатися після подачі живлення до обмоток двигуна. Однак для ряду механізмів, що виконують поступальний або зворотно-поступальний рух (супорти та столи металорізальних верстатів, деякі транспортні засоби), з метою спрощення конструкції механічної частини електроприводу іноді використовують лінійні двигуни. Рухлива частина таких двигунів (вторинний елемент чи бігун) здійснює лінійне переміщення (рис. 2).

Залежно від роду електричного струму, що застосовується для живлення електродвигунів, розрізняють двигуни постійного та змінного струму.

Мал. 1 Електродвигуни обертального руху
Мал. 2 Лінійний електродвигун: 1 – статор, 2 – підведення живлення, 3 – бігун

Принцип дії будь-якого електродвигуна полягає в взаємодії магнітних полів. Якщо наблизити один магніт до іншого, то різноіменні їх полюси будуть притягуватися один до одного, а однойменні відштовхуватися. У двигуні роль принаймні одного з магнітів грає котушка зі струмом (тобто електромагніт). Відомо, протікання провідником електричного струму викликає появи магнітного поля навколо провідника (рис. 3). Це поле має коаксіальний характер, а напрямок його магнітних силових ліній можна визначити за допомогою «правила свердловина». Відповідно до цього правила, якщо свердловин закручувати у провідник таким чином, щоб напрямок поступального руху свердловина збігався з напрямком струму в провіднику, то напрямок обертання свердловина покаже напрямок магнітних силових ліній поля (стрілки на рис. 3).

Мал. 3 Виникнення магнітного поля провідника зі струмом

На рис. 4 показаний поперечний розріз провідника. Усередині розрізу умовно показано напрямок струму: хрест («хвіст» стрілки струму) – струм від глядача (рис. 4а), крапка («вістря» стрілки струму) – струм на глядача (рис. 4б). З рис. 4в, г видно, що магнітне поле замкнутої рамки (кільця) зі струмом подібно до магнітного поля постійного магніту (силові лінії виходять з північного полюса і входять у південний). Таким чином, рамка зі струмом є елементарним електромагнітом.

Мал. 4 Магнітні силові лінії провідників зі струмом: а – струм від глядача, б – струм на глядача, в – рамка зі струмом, г – силові лінії рамки (кільця) зі струмом

Електричні двигуни змінного струму

До двигунів змінного струму відносяться синхронні, крокові (різновид синхронних) та асинхронні двигуни. Їх поєднує те, що за їх обмотками обмотками протікають знакозмінні струми, а живляться вони від джерел знакозмінної напруги.

Статор електродвигунів змінного струму являє собою осердя (магнітопровід) з листів спеціальної електротехнічної сталі, в якому зроблені отвори (пази) для розміщення обмотки (фрагмент магнітопровід статора показаний на рис. 5). Обмотка складається з окремих секцій (котушок, рамок). Усередині статора на підшипниках вміщено ротор, здатний вільно обертатися навколо осі.

Мал. 5 Магнітопровід статора двигуна змінного струму

На рис. 6 схематично показаний поперечний розріз статора та ротора. На протилежних сторонах статора у двох пазах розміщені провідники елементарної котушки обмотки. Ця котушка виглядає так, як на рис. 4в і до неї можна подати напругу від стороннього джерела з тією чи іншою полярністю (як на рис. 4в). На роторі розташовується постійний магніт (полюси Nr та Sr). Якщо до обмотки статора подати постійний струм такого напрямку, як показано на рис. 6а виникає магнітне поле статора з полюсами Ns і Ss. Ротор повертається за годинниковою стрілкою, щоб поєднати протилежні полюси полів ротора та статора (остаточне положення ротора показано штриховою лінією). Якщо полярність струму статора протилежна (рис. 6б), полюси статора поміняються місцями, а ротор повертатиметься у протилежному напрямку.

Мал. 6 Взаємодія магнітних полів статора та ротора

Щоб забезпечити безперервне обертання ротора, на статорі розміщують кілька окремих обмоток, які живляться від окремих джерел. На рис. 7 показаний поперечний розріз двигуна з трьома статора обмотками (червона А, синя В, зелена С). Подібний двигун називається трифазним, яке обмотки – фазними. Обмотки є елементарними рамками з провідника (як на рис. 4в), зрушені в просторі на 120 градусів один щодо одного. На рис. 7 струм протікає лише за обмотками зі значками крапки та хрестика.

Мал. 7 Принцип дії синхронного двигуна

Якщо подати струм до обмотки А, як показано на рис. 7а магнітна вісь поля статора займе горизонтальне положення, а південний полюс поля ротора після його повороту суміситься з північним полюсом поля статора. Протікання струму обмоткою С призведе до повороту магнітної осі статора (а за ним – ротора) на 60 за годинниковою стрілкою (рис. 7б). Потім струм подається в обмотку (рис. 7в). Після цього струм протікає по обмотках А, С, В, але в протилежному напрямку (порівняйте рис. 7а та 7г, 7б та 7д, 7в та 7е). З кожним перемиканням обмоток магнітна вісь статора, а за нею – і ротор повертатиметься на наступні 60 градусів. Якщо після чергового перемикання струму в обмотках продовжити протікання струму в останній обмотці, ротор залишиться нерухомим. Саме таким є принцип дії крокового двигуна. Такі двигуни використовують для дозованого повороту валу механізму на заданий кут (наприклад, в електромеханічному годиннику та принтерах). Змінити напрямок обертання ротора можна, змінивши порядок підключення обмоток до позитивного полюса джерела (А-С замість А-В-С).

Подаючи поперемінно струм у фазні обмотки (рис. 8), можна забезпечити безперервне обертання ротора. Зверніть увагу, що струми IA, IB, IC фазних обмоток зсунуті в часі один до одного на третину періоду Т. Змінюючи період перемикання струму в обмотках, можна регулювати швидкість обертання ротора. Для зміни рушійного моменту електродвигуна змінюють величину струму статора обмоток або індукцію магнітного поля ротора (якщо на роторі замість постійних магнітів встановлена ​​обмотка збудження, тобто, електромагніт).

Мал. 8 Зміна у часі струмів обмоток статора крокового двигуна

У трифазному кроковому двигуні магнітне поле статора може займати у просторі лише 6 положень (див. рис. 7), а переміщується воно між ними стрибками. Внаслідок цього виникають пульсації рушійного моменту електродвигуна, а забезпечити плавне обертання дуже важко. Якщо струми фазних обмоток змінювати не ступінчасто (як на рис. 8), а за законом синуса зі зрушенням в третину періоду (рис. 9), поле статора буде обертатися плавно (т.зв. магнітне поле, що обертається). Ротор з часом наздожене поле статора і далі обертатиметься синхронно з ним. Саме в такому режимі працюють синхронні двигуни.

Мал. 9 Фазні струми синхронного двигуна

У асинхронного двигунатакий самий статор, як і в синхронного, а по обмотках статора також протікають синусоїдальні струми (як на рис. 9). Проте конструкція ротора своєрідна (рис. 10). Ротор набраний із листів електротехнічної сталі (як і статор). У пазах ротора укладені стрижні (алюмінієві або мідні), які на торцях ротора замкнуті за допомогою кілець. Якщо ротор обертається зі швидкістю меншою швидкості поля статора, в обмотці ротора полем статора наводиться електрорушійна сила, яка призводить до протікання по обмотці ротора струмів. Струми викликають появу магнітного поля ротора, а взаємодія двох полів – створення рушійного моменту, що повертає ротор. Оскільки рушійний момент виникає тільки тоді, коли швидкості ротора та поля статора неоднакові, ротор не може рухатися синхронно з полем статора (звідси і назва двигуна: асинхронний, тобто «несинхронний»). Завдяки простоті конструкції, дешевизні та надійності асинхронні двигуни отримали найбільшого поширення.

Конструкція асинхронного електродвигуна показано на рис. 11, 12.

Мал. 10 Ротор асинхронного двигуна: а – короткозамкнена обмотка, б – поперечний розріз ротора

Мал. 11 Асинхронний двигун (розрізано)

Мал. 12 Асинхронний двигун у розібраному вигляді

Двигун постійного струму

Двигун постійного струму, на відміну двигунів змінного струму, живиться від джерела постійного струму. Магнітне поле статора створюється нерухомими постійними магнітами, але в роторі (інакше - якорі) розташована обмотка. Якір жорстко з'єднаний з валом і може обертатися навколо осі. Таким чином, конструктивно двигун постійного струму є зворотною синхронною машиною.

Принцип дії двигуна постійного струму пояснює рис. 13. Поле статора створюють постійні магніти чи електромагніти (обмотки збудження). На феромагнітному сердечнику якоря вміщена обмотка, що складається з двох послідовно включених частин (їх з'єднує показаний пунктиром провідник). На якорі розміщені ізольовані один від одного колекторні пластини, до яких приєднані кінці обмотки якоря. До колекторних пластин через нерухомі графітні щітки від джерела живлення подається постійний струм. Якщо верхню щітку підключити до позитивного полюса джерела живлення, а нижню – до негативного, по обмотці якоря протікатиме струм І, показаний на рис. 13. За правилом буравчика лівий полюс якоря стане північним, правий – південним. Полюси якоря і статора відштовхуватимуться один від одного, викликаючи поворот якоря за годинниковою стрілкою. Якір, повертаючись, за інерцією «проскакує» положення «північний полюс проти південного», і під щітками виявляються інші колекторні пластини. Напрямок струму в обмотці якоря змінюється протилежне, полюси якоря змінюються місцями, і обертання якоря триває. Для зміни напрямку обертання якоря слід змінити полярність напруги, поданої до щіток.

Конструкцію, подібну до показаної на рис. 13 мають малопотужні двигуни (використовуються, наприклад, у дитячих іграшках). У промислових двигунах задля забезпечення плавності руху якір має багато окремих секцій обмотки, з'єднаних з окремими парами колекторних пластин (подібно до рис. 14). При обертанні якоря через пару щіток до джерела підключається щоразу наступна секція якоря, що у цьому положенні якоря має найбільшу магнітну зв'язок із полем статора.

Мал. 13 До принципу дії двигуна постійного струму

Мал. 14 Якір двигуна постійного струму

В електроприводі зазвичай виникає завдання автоматичного керуванняелектричні двигуни. У найпростіших випадках достатньо лише забезпечити їх запуск, зупинку, зміну напрямку обертання та захист від аварійних режимів. Подібні функції легко реалізуються за допомогою простих та відносно дешевих електромеханічних контакторів та реле. Однак нерідко є необхідність у плавному регулюванні швидкості обертання та рушійного моменту. Тоді для живлення двигунів використовують керовані джерела живлення - напівпровідникові перетворювачі енергії (керовані випрямлячі

З усього спектру електричних моторів, що випускаються в даний час, найбільшого поширення набув двигун асинхронний трифазний. Майже половина виробленої у світі електроенергії використовується саме цими машинами. Вони широко застосовуються в металообробній та деревообробній промисловості. Асинхронний двигун незамінний на фабриках та насосних станціях. Без таких машин не обійтися і в побуті, де вони використовуються і в іншій домашній техніці, і в електроінструменті.

Область застосування цих електричних машин розширюється з кожним днем, тому що вдосконалюються і самі моделі, і матеріали, що використовуються для їх виготовлення.

Які ж основні частини цієї машини

Розібравши двигун асинхронний трифазний, можна спостерігати два головні елементи.

1. Статор.

Одна з найважливіших деталей - статор.На фото зверху ця частина двигуна розташована зліва. Він складається з наступних основних елементів:

1. Корпус. Він потрібний для з'єднання всіх деталей машини. Якщо двигун невеликий, корпус виготовляють цільнолитим. Як матеріал використовують чавун. Також застосовуються сталь або сплави алюмінію. Іноді корпус малих двигунів поєднує функції осердя. Якщо ж двигун має великі розміриі потужність корпус зварюють з окремих частин.

2. Сердечник. Цей елемент двигуна запресовується у корпус. Служить він поліпшення якостей магнітної індукції. Виконується сердечник із пластин електричної сталі. Щоб знизити втрати, неминучі з появою вихрових струмів, кожна пластина покривається шаром спеціального лаку.

3. Обмотка. Вона розміщується у пазах сердечника. Складається з витків мідного дроту, які збираються у секції. З'єднані в певній послідовності, вони утворюють три котушки, які є обмоткою статора. Підключається вона безпосередньо до мережі, тому називається первинною.

Ротор- Це рухлива частина двигуна. На фото він знаходиться праворуч. Служить він перетворення сили магнітних полів на механічну енергію. Складається ротор асинхронного двигуна з наступних деталей:

1. Вал. На хвостовиках його закріплено підшипники. Вони запресовуються в щити, що кріпляться болтами до торцевих стін коробки статора.

2. Сердечник, який збирається на валу. Складається з пластин спеціальної сталі, що має таку цінну властивість, як низький опірмагнітних полів. Сердечник, володіючи формою циліндра, є основою для укладання обмотки якоря. Роторна, або, як її ще називають, вторинна обмотка отримує енергію завдяки магнітному полю, яке з'явилося навколо котушок статора при проходженні електричним струмом.

Двигуни за типом виготовлення рухомої частини

Розрізняють двигуни:

1. Мають короткозамкнену обмотку ротора. Один із варіантів виконання цієї деталі показаний на малюнку.

Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором має обмотку, зроблену з алюмінієвих стрижнів, що розташовуються в пазах сердечника. У торцевій частині вони замкнені кільцями коротко.

2. Електродвигуни, що мають ротор, виготовлений із контактними кільцями.

В обох типів асинхронних двигунів конструкція статора однакова. Розрізняються вони лише виконанням якоря.

Який принцип роботи

Якір трифазного асинхронного двигуна, виконаний подібним чином, обертається завдяки ефекту виникнення змінного магнітного поля в статорних котушках. Щоб зрозуміти, як це відбувається, необхідно згадати фізичний закон самоіндукції. Він говорить, що навколо провідника, яким проходить потік заряджених частинок, виникає магнітне поле. Величина його буде прямо пропорційна індуктивності дроту і інтенсивності потоку заряджених частинок, що протікає в ньому. Крім того, це магнітне поле формує силу з певною спрямованістю. Саме вона нас і цікавить, оскільки є причиною обертання ротора. Для ефективної роботи двигуна необхідно мати потужний магнітний потік. Створюється він завдяки спеціальним способоммонтажу первинної обмотки.

Відомо, що джерело живлення має змінну напругу. Отже, магнітне поле навколо статора матиме таку ж характеристику, що безпосередньо залежить від зміни струму в мережі, що подає. Примітно те, що кожна фаза зміщена одна щодо іншої на 120?

Що відбувається в обмотці статора

Кожна фаза мережі живлення підключається до відповідної котушки статора, тому магнітне поле, що виникає навколо них, буде зміщене на 120˚. має змінну напругу, отже, навколо котушок статора, які має асинхронний двигун, буде виникати змінне магнітне поле. Схема асинхронного двигуна збирається так, щоб магнітне поле, що виникає навколо котушок статора, поступово змінювалося та послідовно переходило від однієї обмотки до іншої. Таким чином створюється ефект магнітного поля, що обертається. Можна визначити його частоту обертання. Вимірюватиметься вона в оборотах за хвилину. Визначається за формулою: n=60f/p, де f - це частота змінного струму в підключеній мережі (Гц), p - відповідає числу пар полюсів, змонтованих на статорі.

Як працює ротор

Тепер слід розглянути, які процеси виникають у вторинній обмотці. Асинхронний двигун із короткозамкненим ротором має конструкційну особливість. Справа в тому, що до його якірної обмотки напруга не підводиться. Воно там виникає завдяки магнітоіндукційному зв'язку з первинною обмоткою. Тому і відбувається процес, зворотний тому, що спостерігався в статорі, відповідно до закону, який свідчить, що при перетині провідника, а в нашому випадку це короткозамкнута обмотка ротора, магнітним потоком виникає електричний струм. Звідки береться магнітне поле? Воно виникло навколо первинної котушки при підключенні трифазного джерела живлення.

З'єднаємо статор та ротор. Що вийде?

Таким чином, маємо асинхронний короткозамкнутий двигун із ротором, в обмотці якого проходить електричний струм. Він і буде причиною виникнення магнітного поля навколо якірної обмотки. Однак полярність цього потоку буде відрізнятися від створеного статором. Відповідно, і сила, утворена ним, вступатиме в протидію з тією, що викликана магнітним полем первинної обмотки. Це і приведе в рух ротор, так як на ньому зібрана вторинна котушка, хвостовики валу якоря закріплені в корпусі двигуна на підшипниках.

Розглянемо ситуацію взаємодії сил, що виникають від магнітних полів статора та ротора, з часом. Знаємо, що магнітне поле первинної обмотки обертається і має певну частоту. Створена ним сила переміщатиметься, маючи аналогічну швидкість. Це змусить асинхронний двигун заробити. І його ротор вільно обертатиметься навколо осі.

Ефект ковзання

Ситуація, коли силові потоки ротора як би відштовхуються від магнітного поля статора, що обертається, отримала назву ковзання. Слід зазначити, що частота асинхронного двигуна (n1) завжди менша за ту, з якої переміщається магнітне поле статора. Пояснити це можна так. Щоб у роторній обмотці виник струм, вона повинна бути перетнута магнітним потоком з певною кутовою швидкістю. І тому справедливо твердження, що швидкість обертання валу більша чи дорівнює нулю, але менше інтенсивності переміщення магнітного поля статора. Ротор має частоту обертання, що залежить від сили тертя у підшипниках, а також від величини відбору потужності з валу ротора. Тому він хіба що відстає від магнітного поля статора. Саме через це частота називається асинхронною.

Таким чином, електроенергія джерела живлення перетворилася в кінетичну енергію обертового валу. Швидкість його обертання прямо пропорційна частоті струму мережі живлення і кількості пар полюсів статора. Для збільшення частоти обертання якоря можна використовувати частотні перетворювачі. Однак робота цих пристроїв має бути узгоджена з кількістю пар полюсів.

Як підключити двигун до джерела живлення

Щоб здійснити пуск асинхронного двигуна, його необхідно підключити до мережі трифазного струму. Схема асинхронного двигуна збирається двома способами. На малюнку показана схема з'єднання висновків двигуна, в якій обмотки статорні зібрані способом «зірка».

На цьому малюнку зображено інший спосіб з'єднання, що називається «трикутник». Збираються схеми в клемній коробці, що закріплена на корпусі.

Слід знати, що початки кожної з трьох котушок, їх ще називають обмотками фаз, називаються С1, С2, С3 відповідно. Аналогічно підписуються кінці, які мають назви С4, С5, С6. Якщо в клемній коробці немає маркування висновків, то початки і кінці доведеться визначити самостійно.

Як зробити реверс

При виникненні потреби здійснити пуск асинхронного двигуна, змінивши напрямок обертання якоря, треба просто поміняти місцями два дроти джерела трифазної напруги, що підключається.

Однофазний асинхронний двигун

У побуті проблематично використовувати трифазні двигуни через відсутність необхідного джерела напруги. Тому є однофазний асинхронний двигун. Він також має статор, але з суттєвою конструкційною відмінністю. Воно полягає в кількості та способі розташування обмоток. Це визначає схему запуску машини.

Якщо однофазний асинхронний двигун має статор з двома обмотками, то вони будуть розташовані зі зміщенням по колу під кутом в 90˚. Котушки називаються пусковою та робочою. З'єднуються вони паралельно, але, щоб створити умови для появи магнітного поля, що обертається, додатково вводиться активний опір або конденсатор. Це створює зсув фаз струмів обмоток, близький до 90˚, завдяки чому створюється умова для утворення магнітного поля, що обертається.

Якщо статор має лише одну котушку, то підключене до неї однофазне джерело живлення буде причиною пульсуючого магнітного поля. У замкненій коротко обмотці ротора з'явиться змінний струм. Він спричинить виникнення свого магнітного потоку. Результуюча двох сил, що утворилися, дорівнюватиме нулю. Тому для запуску двигуна, що має таку конструкцію, потрібний додатковий поштовх. Створити його можна підключивши конденсаторну схему пуску.

Підключити двигун до однофазного ланцюга

Виготовлений для роботи від трифазного джерела живлення електромотор може працювати і від домашньої однофазної мережі, але при цьому суттєво знизяться характеристики, такі як ККД, коефіцієнт потужності. Крім того, знизяться потужність та пускові показники.

Якщо ж без підключення не обійтися, потрібно з трьох обмоток статора зібрати схему, де їх буде тільки дві. Одна робітнича, а інша пускова. Наприклад, є три котушки з початками С1, С2, С3 та кінцями С4, С5, С6 відповідно. Для створення першої (робочої) обмотки двигуна об'єднуємо кінці С5 та С6, а їх початку С3 та С2 підключаємо до джерела однофазного струму, наприклад, побутової мережі 220 вольт. Роль другої, пускової обмотки, виконуватиме незадіяна котушка стартера, що залишилася. Вона підключається до джерела живлення через конденсатор, з'єднаний із нею послідовно.

Параметри асинхронного двигуна

При підборі таких машин, а також при подальшій експлуатації необхідно враховувати характеристики асинхронного двигуна. Вони бувають енергетичні – це коефіцієнт корисної дії, коефіцієнт потужності. Важливо враховувати й механічні показники. Основним їх вважається залежність між швидкістю обертання валу і робочим зусиллям, прикладеним щодо нього. Існують ще пускові характеристики. Вони визначають пусковий, мінімальний та максимальний моменти та їх співвідношення. Важливо також знати, який пусковий струмасинхронний двигун. Для найефективнішого використання двигуна необхідно враховувати всі ці параметри.

Не можна залишити поза увагою питання енергозбереження. Останнім часом він розглядається не лише з позиції зменшення експлуатаційних витрат. Економічність електродвигунів знижує рівень екологічних проблем, пов'язаних із виробництвом електроенергії.

Перед виробниками постійно ставляться завдання розробки та випуску енергозберігаючих двигунів, підвищення експлуатаційного ресурсу, зменшення рівня шуму.

Поліпшити енергозберігаючі показники можна шляхом зниження втрат під час експлуатації. А вони залежать від робочої температури машини. Крім того, вдосконалення цієї характеристики неминуче призведе до збільшення терміну експлуатації двигуна.

Зменшити температуру обмоток можна, застосовуючи вентилятор зовнішнього обдування, закріплений на хвостовику валу ротора. Але це призводить до неминучого підвищення шуму, що виробляється двигуном під час роботи. Особливо відчутний цей показник за високої швидкості обертання ротора.

Таким чином, видно, що асинхронний двигун має один суттєвий недолік. Він не здатний підтримувати постійну частоту обертання валу при зростаючих навантаженнях. Проте такий двигун має безліч переваг у порівнянні зі зразками електродвигунів інших конструкцій.

По-перше, він має надійну конструкцію. Робота асинхронного двигуна не викликає жодних складнощів при його використанні.

По-друге, асинхронний двигун економічний у виробництві та експлуатації.

По-третє, ця машина є універсальною. Є можливість її використання у будь-яких пристроях, які потребують точного підтримки частоти обертання валу якоря.

По-четверте, двигун з асинхронним принципом дії затребуваний і в побуті, отримуючи живлення лише від однієї фази.

В основу роботи будь-яких електродвигунів покладено принцип електромагнітної індукції. Електродвигун складається з нерухомої частини - статора (для асинхронних і синхронних двигунів змінного струму) або індуктора (для двигунів постійного струму) та рухомої частини - ротора (для асинхронних та синхронних двигунів змінного струму) або якоря (для двигунів постійного струму). У ролі індуктора на малопотужних двигунах постійного струму нерідко використовуються постійні магніти.

Всі двигуни, грубо кажучи, можна поділити на два види:
двигуни постійного струму
двигуни змінного струму (асинхронні та синхронні)

Двигуни постійного струму

За деякими думками цей двигун можна ще назвати синхронною машиною постійного струму з самосинхронізацією. Простий двигун, що є машиною постійного струму, складається з постійного магніту на індукторі (статорі), 1-го електромагніта з явно вираженими полюсами на якорі (двозубцевого якоря з явно вираженими полюсами і з однією обмоткою), щітковоколекторного вузла з 2-ма ) і двома щітками.
Простий двигун має 2 положення ротора (2 "мертві точки"), з яких неможливий самозапуск, і нерівномірний момент, що крутить. У першому наближенні магнітне поле статора полюсів рівномірне (однорідне).

Дані двигуни з наявністю щітково-колекторного вузла бувають:

Колекторні- Електричний пристрій, в якому датчиком положення ротора і перемикачем струму в обмотках є один і той же пристрій - щітково-колекторний вузол.

Безколекторні- замкнута електромеханічна система, що складається з синхронного пристрою з синусоїдальним розподілом магнітного поля в зазорі, датчика положення ротора, перетворювача координат та підсилювача потужності. Більш дорогий варіант порівняно з колекторними двигунами.

Двигуни змінного струму

За типом роботи дані двигуни поділяються на синхронні та асинхронні двигуни. Важливе відмінність у тому, що у синхронних машинах перша гармоніка магнитодвижущей сили статора переміщається зі швидкістю обертання ротора (тому сам ротор крутиться зі швидкістю обертання магнітного поля в статорі), а асинхронних — є і залишається різниця між швидкістю обертання ротора і швидкістю обертання магнітного поля в статорі (поле крутиться швидше за ротор).

Синхронний- двигун змінного струму, ротор якого крутиться синхронно з магнітним полем напруги живлення. Ці двигуни зазвичай використовуються при великих потужностях (від сотень кіловат і вище).
Існують синхронні двигуни з дискретним кутовим рухом ротора - крокові двигуни. У них це положення ротора фіксується подачею живлення на відповідні обмотки. Перехід в інше положення виконується шляхом зняття напруги живлення з одних обмоток та передачі його на інші обмотки двигуна.
Ще один вид синхронних двигунів - вентильний реактивний електродвигун, живлення обмоток якого складається за допомогою напівпровідникових елементів.

Асинхронний- Двигун змінного струму, в якому частота обертання ротора відрізняється від частоти крутного магнітного поля, що створюється напругою живлення, друга назва асинхронних машин - індукційні обумовлено тим, що струм в обмотці ротора індукується обертовим полем статора. Асинхронні машини сьогодні оформлюють більшу частину електричних машин. В основному вони використовуються у вигляді електродвигунів і вважаються ключовими перетворювачами електричної енергії в механічну, причому в основному використовуються асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором

За кількістю фаз двигуни бувають:

• однофазні
• двофазні
• трифазні

Найпопулярніші та широко затребувані двигуни які застосовуються у виробництві та побутовому господарстві:

Однофазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором

Однофазовий асинхронний двигун має на статорі лише 1 робочу обмотку, на яку в ході роботи двигуна подається змінний струм. Хоча для запуску двигуна на його статорі є і допоміжна обмотка, яка короткостроково підключається до мережі через конденсатор або індуктивність, або замикається коротко пусковими контактами рубильника. Це необхідно для створення вихідного зсуву фаз, щоб ротор почав крутитися, інакше пульсуюче магнітне поле статора не зрушило б ротор з місця.

Ротор такого двигуна, як і будь-якого іншого асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, являє собою циліндричний сердечник з залитими алюмінієм пазами, з одночасно відлитими вентиляційними лопатями.
Такий ротор називається короткозамкнутим ротором. Однофазові двигуни застосовуються в малопотужних пристроях, у тому числі кімнатні вентилятори або дрібні насоси.

Двофазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором

Двофазні асинхронні двигуни найефективніші під час роботи від однофазової мережі змінного струму. Вони містять на статорі дві робочі обмотки, що знаходяться перпендикулярно, при цьому одна з обмоток підключається до мережі змінного струму безпосередньо, а друга - через фазозсувний конденсатор, так виходить магнітне поле, що крутиться, а ось без конденсатора ротор би не рушив з місця.

Ці двигуни також мають короткозамкнутий ротор, а їх використання набагато ширше, ніж у однофазних. Тут уже і пральні машинки, і різні верстати. Двофазні двигуни для живлення від однофазних мереж називають конденсаторними двигунами, тому що фазозсувний конденсатор вважається часто обов'язковою їхньою частиною.

Трифазний асинхронний двигун із короткозамкненим ротором

Трифазний асинхронний двигун має на статорі три робочі обмотки, зсунуті порівняно один одного так, що при підключенні в трифазну мережу їх магнітні поля виходять зміщеними в просторі порівняно один одного на 120 градусів. При включенні трифазного мотора до трифазної мережі змінного струму, з'являється магнітне поле, що крутиться, що приводить в переміщення короткозамкнутий ротор.

Обмотки статора трифазного двигуна можна з'єднати за схемою «зірка» або «трикутник», причому для живлення двигуна за схемою «зірка» потрібно напруга вище, ніж для схеми «трикутник», і на двигуні, тому, вказуються дві напруги, наприклад: 127/220 чи 220/380. Трифазні двигуни незамінні для приведення в дію різних верстатів, лебідок, циркулярних пилок, підйомних кранів і т.п.

Трифазний асинхронний двигун із фазним ротором

Трифазний асинхронний двигун з фазним ротором має статор подібний до описаних вище типів двигунів, шихтований магнітопровід з трьома укладеними в його пази обмотками, але в фазний ротор не залиті алюмінієві стрижні, а укладена вже реальна трифазна обмотка. Кінці зірки обмотки фазного ротора виведені на три контактних кільця, насаджених на вал ротора, та електрично відокремлених від нього.

За допомогою щіток, на кільця також подається трифазна змінна напруга, і включення може бути здійснене як безпосередньо, так і через реостати. Безумовно, двигуни з фазним ротором коштують дорожче, але їх пусковий момент під навантаженням значно вище, ніж у типів двигунів з короткозамкненим ротором. Саме внаслідок підвищеної сили і великого пускового моменту, цей вид двигунів знайшов застосування в приводах ліфтів і підйомних кранів, тобто там, де пристрій запускається під навантаженням а не в неодружену, як у двигунів з короткозамкненим ротором.