Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды, способы пуска

История появления

История создания асинхронного электродвигателя начинается в 1888 году, когда Никола Тесла запатентовал схему электродвигателя, в том же году другой ученый в области электротехники Галлилео Феррарис опубликовал статью о теоретических аспектах работы электродвигателя машина асинхронная.

В 1889 году русский физик Михаил Осипович Доливо-Добровольский получил в Германии патент на трехфазный асинхронный электродвигатель.

Все эти изобретения позволили усовершенствовать электрические машины и привели к тому, что электрические машины стали массово применяться в промышленности, что значительно ускорило все технологические процессы на производстве, повысило производительность труда и снизило трудоемкость.

На данный момент самым распространенным электродвигателем, применяемым в промышленности, является прототип электромобиля, созданный Доливо-Добровольским.

Строение двигателя

Основными элементами электродвигателя являются статор, ротор, их обмотки и магнитопровод.

Преобразование электрической энергии в механическую происходит во вращающейся части двигателя: роторе.

В двигателе переменного тока ротор получает энергию не только через магнитное поле, но и за счет индукции. Поэтому их называют асинхронными двигателями. Это можно сравнить со вторичной обмоткой трансформатора. Эти асинхронные двигатели также называют вращающимися трансформаторами. Наиболее часто используемые модели рассчитаны на трехфазное переключение.

Направление вращения электродвигателя задается правилом левой руки карданного подвеса: оно показывает взаимосвязь между магнитным полем и проводником.

Второй очень важный закон — это закон Фарадея:

1. В обмотке индуцируется ЭДС, но электромагнитный поток со временем изменяется.
2. Величина наведенной ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения электрического потока.
3. Направление ЭДС противоположно току.

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя

Основными компонентами асинхронного двигателя являются статор и ротор, которые отделены друг от друга воздушным зазором. Обмотки и сердечник ротора совершают активную работу в двигателе.

Под асинхронным двигателем мы понимаем разницу между скоростью ротора и скоростью электромагнитного поля.

Статор — это неподвижная часть двигателя, сердечник которой выполнен из электротехнической стали и установлен в станине. Каркас изготовлен методом литья из материала, не намагничивающегося (чугун, алюминий). Обмотки статора представляют собой трехфазную систему, в которой провода расположены в пазах с углом отклонения 120 градусов. Фазы обмоток обычно подключаются к сети по схеме «звезда» или «треугольник».

Ротор — движущаяся часть двигателя. Роторы асинхронных электродвигателей бывают двух типов: с короткозамкнутым ротором и фазные роторы. Эти типы отличаются друг от друга конструкцией обмотки ротора.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Этот тип электромобиля был впервые запатентован М.О. Доливо-Добровольским и в народе из-за внешнего вида конструкции получил название «беличье колесо». Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из медных стержней (алюминий, латунь), замкнутых накоротко кольцами и вставленных в пазы обмотки сердечника ротора. Этот тип ротора не имеет подвижных контактов, поэтому такие двигатели очень надежны и долговечны в эксплуатации.

Асинхронный двигатель с фазным ротором

Такое устройство позволяет регулировать скорость работы в широком диапазоне. Фазовый ротор представляет собой трехфазную обмотку, соединенную звездой или треугольником. В таких электродвигателях в конструкции есть специальные щетки, с помощью которых можно регулировать частоту вращения ротора. Если к механизму такого мотора добавить специальный реостат, то при запуске мотора активное сопротивление уменьшится, а значит и пусковые токи уменьшатся, что пагубно скажется на электрической сети и самом устройстве.

Принцип действия

Когда электрический ток подается на обмотки статора, возникает магнитный поток. Поскольку фазы смещены относительно друг друга на 120 градусов, по этой причине поток в обмотках вращается. Если ротор закорочен, то при этом вращении в роторе появляется ток, который создает электромагнитное поле. Магнитные поля ротора и статора, взаимодействуя друг с другом, заставляют ротор электродвигателя вращаться. Если ротор заблокирован по фазе, напряжение подается на статор и ротор одновременно, в каждом механизме появляется магнитное поле, они взаимодействуют друг с другом и вращают ротор.

Статор

Статор — это неподвижная часть, которая генерирует вращающееся магнитное поле. Именно это поле находится в непосредственном контакте с электромагнитным полем наиболее подвижной части, называемой ротором, поэтому происходит полное вращение ротора.

Устройство статора

1. Первый — это чугунный корпус, но часто встречаются и алюминиевые.
2. Далее следует сердечник пластин, которые изготовлены из электротехнической стали толщиной 0,5 миллиметра. Центральные пластины скрепляются скобами или швами, покрываются изоляционной краской, прикрепляются к раме стопорными болтами.
3. Ну и последнее в статорном устройстве — обмотки смещены друг относительно друга на 120 градусов, в устройстве, как правило, их не больше трех, они вложены в пазы на внутренней стороне самого сердечника, выполнены из изолированного медного, алюминиевого провода круглого / квадратного сечения.

Сердечник статора

он выполнен с муфтой на валу, без промежуточной втулки. Посадка сердечников применяется в двигателях с высотой прямой оси 250 миллиметров без ключа.
В больших двигателях сердечники крепятся к валу с помощью ключа. Если ротор имеет диаметр 990 мм, сердечник нагружается из нескольких сегментов.

Обмотка статора и количество оборотов электродвигателя

определить количество оборотов электродвигателя можно только с помощью обмотки. В этом нет ничего сложного, просто нужно следовать инструкциям, и все получится. Для этого вам понадобятся:

1. Снимите кожух двигателя.
2. Найдите одну из секций и посмотрите, сколько места она занимает по окружности самого круга. Например, если катушка проходит полукруга — это 180 градусов, мотор работает на 3000 об / мин.
3. Если в круге три участка под углом 120 градусов, то это двигатель на 1500 об / мин.
4. Если катушка вмещает 4 секции под углом 90 градусов, то двигатель на 3000 об / мин

Виды

На практике существует огромное количество разновидностей асинхронных электродвигателей, различающихся как по области применения, так и по мощности по ГОСТ 12139-84. В связи с тем, что перечислить все варианты невозможно, мы рассмотрим наиболее значимые критерии, по которым асинхронные устройства делятся на типы.

По количеству фаз питания различают:

• трехфазные — используются в сетях, где можно подключить сразу все фазы, но в особых случаях их можно запустить и в однофазной сети;
• двухфазные — используются во многих бытовых приборах, состоят из двух рабочих обмоток, одна из которых питается от сетевого напряжения, а вторая подключается через фазосдвигающий конденсатор.
• однофазные — как и предыдущая модель содержат две обмотки, одна из которых работает, а вторая запускается.

По типу ротора различают:

• с ротором типа «беличья клетка» — имеет тяжелый пуск, но и меньшую стоимость;
• с фазным ротором: на роторе установлена ​​вспомогательная обмотка, что делает работу электродвигателя более плавной.

По способу кормления:

• статор — классические модели, в которых рабочие обмотки установлены на статоре;
• ротор — рабочие обмотки размещены на вращающемся элементе, на практике получили широкое распространение асинхронные двигатели Шраге-Рихтера.

Отличие от синхронного двигателя

Помимо простых асинхронных электрических машин, в промышленности также используются синхронные агрегаты. Основное отличие синхронного двигателя — наличие на роторе вспомогательной обмотки, предназначенной для создания постоянного магнитного потока, как показано на рисунке 4 ниже.

Рис. 4. Разница между асинхронным и синхронным электродвигателем

Эта обмотка создает магнитный поток независимо от наличия электродвижущей силы в обмотках статора электродвигателя. Следовательно, когда синхронный двигатель находится под напряжением, его вал начинает вращаться одновременно с полем статора. В отличие от асинхронного типа, где есть разница в движении, которая физически выражается в скольжении и рассчитывается по формуле:

s = (n1 — n2) / n1

где s — скольжение, измеренное в процентах, n1 — частота вращения поля статора, n2 — частота вращения ротора.

Синхронные электродвигатели используются в тех устройствах, где важно поддерживать высокую точность синхронизации подачи питания и начала движения. Они также обеспечивают поддержание производительности во время загрузки.

Достоинства асинхронных электродвигателей

Ротор с короткозамкнутым ротором С заведенным ротором

1. Простое устройство и схема запуска	1. Малый пусковой ток
2. Низкая стоимость производства	2. Возможность регулировки скорости вращения
3. При увеличении нагрузки частота вращения вала не меняется	3. Работать с небольшими перегрузками без изменения скорости
4. Способен выдерживать кратковременные перегрузки	4. Вы можете использовать автоматический запуск
5. Надежная и долговечная работа	5. Имеет высокий крутящий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Обладает высокой эффективностью

Недостатки асинхронных электродвигателей

Ротор с короткозамкнутым ротором С заведенным ротором

1. Скорость вращения ротора не регулируется	1. Большой размер
2. Пониженный пусковой крутящий момент	2. КПД ниже
3. Высокий пусковой ток	3. Частое обслуживание из-за износа щеток
	4. Определенная сложность оформления и наличие мобильных контактов

Асинхронные двигатели — это очень эффективные устройства с превосходными механическими характеристиками, поэтому они являются лидерами по частоте использования.

Как вращается ротор

Вращающийся магнитный поток проходит через воздушный зазор между статором, ротором и обмоткой неподвижных проводников в роторе. Этот вращающийся поток создает напряжение в проводниках ротора, заставляя его индуцировать в них ЭДС. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, именно это относительное движение между вращающимся магнитным потоком и обмотками неподвижного ротора возбуждает ЭДС и является основой вращения.

Двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором проводники ротора образуют замкнутую цепь, в результате чего в него входит ток ЭДС, направление определяется законом Линза и таково, чтобы противодействовать из-за его возникновение. Относительное движение ротора между вращающимся магнитным потоком и неподвижным проводником является его вращательным действием. Следовательно, для уменьшения относительной скорости ротор начинает вращаться в том же направлении, что и поток вращения на обмотках статора, пытаясь захватить его. Частота наведенной на него ЭДС совпадает с частотой сети.

Аналогия с муфтой

Рассматривая принцип работы асинхронного электродвигателя, применяемого в промышленных машинах, и его технические характеристики, необходимо сказать о вращающейся муфте механической муфты. Крутящий момент на валу двигателя должен быть равен крутящему моменту на ведомом валу. Кроме того, следует подчеркнуть, что эти два момента такие же, как крутящий момент линейного преобразователя, вызванный трением между дисками внутри самого сцепления.

Принцип работы аналогичен тяговому двигателю с фазным ротором. Система такого двигателя состоит из восьми полюсов (из них 4 основных и 4 дополнительных) и каркасов. Медные катушки расположены на главных полюсах. Вращение такого механизма происходит за счет зубчатой ​​передачи, которая получает крутящий момент от вала якоря, также называемого сердечником. Подключение к сети осуществляется четырьмя гибкими кабелями. Основное назначение многополюсного электродвигателя — привод в движение тяжелую технику: тепловозы, тракторы, комбайны и, в некоторых случаях, станки.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором представляет собой асинхронный электродвигатель, в котором ротор выполнен с короткозамкнутой обмоткой в ​​виде короткозамкнутого ротора 1.

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор находится внутри статора. Между ротором и статором есть небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонкого листа конструкционной стали, обычно толщиной 0,5 мм, покрытого изоляционной краской. Конструкция ламинированного сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в результате процесса изменения намагниченности сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора расположены в пазах сердечника.

Ротор состоит из короткозамкнутого сердечника и вала. Сердечник ротора также имеет слоистую структуру. В этом случае листы ротора не покрываются краской, так как ток имеет низкую частоту, а оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при подключении к сети трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы лучше понять явление вращающегося магнитного поля, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток, протекающий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. На рисунке ниже показано поле, создаваемое трехфазным переменным током в определенное время

Составляющие переменного тока со временем изменятся, в результате чего магнитное поле, которое они создают, изменится. В этом случае результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет иметь разную ориентацию, сохраняя одинаковую амплитуду.

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Поместим теперь замкнутый проводник во вращающееся магнитное поле. Согласно закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению в проводнике электродвижущей силы (ЭДС). В свою очередь, ЭДС вызовет ток в проводнике. Следовательно, в магнитном поле появится замкнутый проводник с током, на который, согласно закону Ампера, будет действовать сила, в результате чего цепь начнет вращаться.

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель также работает по этому принципу. Вместо рамы с током внутри асинхронного двигателя в конструкции использован ротор с беличьей клеткой, напоминающий беличье колесо. Ротор с короткозамкнутым ротором состоит из стержней, закороченных на концах кольцами.

Трехфазный переменный ток, проходя через обмотки статора, создает вращающееся магнитное поле. Следовательно, как описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, заставляющий ротор начать вращаться. На следующем рисунке можно увидеть разницу между токами, наведенными в стержнях. Это связано с тем, что величина изменения магнитного поля различается в разных парах стержней из-за их разного положения относительно поля. Текущее изменение стержней будет меняться со временем.

Вы также заметите, что штанги ротора наклонены относительно оси вращения. Это сделано для того, чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и устранить пульсации крутящего момента. Если бы стержни были направлены вдоль оси вращения, в них появилось бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки намного превышает магнитное сопротивление зубцов статора.

Подключение

Асинхронный двигатель можно остановить, просто поменяв местами два провода статора. Это используется во время чрезвычайных ситуаций. Затем он изменяет направление вращающегося потока, который создает крутящий момент, вызывая отключение питания ротора. Это называется противофазным торможением.

Чтобы этого не произошло в однофазном асинхронном двигателе, необходимо использовать конденсаторное устройство.

Его необходимо подключить к пусковой обмотке, но сначала нужно рассчитать.

Формула, из которой следует, что электрические машины на переменном токе двухфазного или однофазного типа должны питаться конденсаторами мощностью, равной мощности самого двигателя.

QC = Uc I2 = U2 I2 / sin2

Режимы работы

Асинхронный электродвигатель — механизм универсальный и имеет несколько режимов по времени работы:

• Долгоиграющий;
• В ближайщем будущем;
• Периодический;
• Краткосрочный срок;
• Особый.

Непрерывный режим — основной режим работы асинхронных устройств, характеризующийся постоянной работой электродвигателя без остановки при постоянной нагрузке. Этот режим работы наиболее распространен; применяется повсеместно на промышленных предприятиях.

Кратковременный режим: работает до достижения постоянной нагрузки в течение определенного времени (от 10 до 90 минут), не успевая максимально прогреться. Потом гаснет. Этот режим используется при подаче рабочих веществ (вода, масло, газ) и в других ситуациях.

Периодический режим: продолжительность операции имеет определенное значение и отключается в конце рабочего цикла. Режим работы Старт-Работа-Стоп. При этом он может выключиться на время, за которое не успевает остыть до наружных температур, и снова включиться.

Прерывистая работа: двигатель максимально не нагревается, но и не успевает остыть до температуры наружного воздуха. Используется в лифтах, эскалаторах и других устройствах.

Особый режим: продолжительность и период включения произвольны.

В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может преобразовывать электрическую энергию в механическую и совершать обратные действия.

Асинхронные электродвигатели также соответствуют этому принципу и имеют режим работы двигателя и генератора.

Моторный режим — это основной режим работы асинхронного электродвигателя. Когда на обмотки подается напряжение, возникает электромагнитный момент, который увлекает за собой ротор с валом, и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель достигает постоянной скорости, выполняя полезную работу.

Генераторный режим — основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если ротор двигателя вращается механически, на обмотках статора создается электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках генерируется емкостной ток. Если емкость конденсатора имеет определенное значение, в зависимости от характеристик двигателя, генератор самовозбудится и возникнет трехфазная система напряжения. Таким образом, двигатель с короткозамкнутым ротором будет работать как генератор.

Генераторный режим

Синхронные генераторы используются для выработки электроэнергии в сети. В большинстве случаев для этого используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что значительно упрощает процесс снятия мощности и ее дальнейшей передачи в сеть. Физически генерация возникает при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Линии питания попеременно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимной индукции, в результате чего на выводах возникает напряжение.

Частота результирующего напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и рассчитывается по формуле:

f = (n * p) / 60 ,

где n — скорость вращения вала, измеренная в оборотах в минуту, p — количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

Принимая во внимание физические характеристики синхронного электродвигателя, когда устройство находится на холостом ходу, он потребляет реактивную мощность из сети, что может значительно улучшить cosφ системы, практически приближаясь к 1. На практике используется режим синхронного компенсатора как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров сетевого напряжения.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

Для контроля скорости вращения асинхронных электродвигателей и управления режимами их работы существуют следующие методы:

1. Частота: при изменении частоты тока в электрической сети изменяется скорость электродвигателя. Для этого метода используется устройство, называемое преобразователем частоты;
2. Реостат: при изменении сопротивления реостата в роторе изменяется скорость. Этот метод увеличивает пусковой момент и критическое скольжение;
3. Импульсный: метод управления, при котором на двигатель подается напряжение особого типа.
4. Переключение обмоток при работе электродвигателя со схемы «звезда» на схему «треугольник», что снижает пусковые токи;
5. Управление парой полюсов роторов с короткозамкнутым ротором;
6. Подключение индуктивного сопротивления для двигателей с фазным ротором.

С развитием электронных систем управление различными электродвигателями асинхронного типа становится более эффективным и точным. Такие двигатели используются во всем мире, разнообразие задач, выполняемых такими механизмами, растет с каждым днем, а их потребность не уменьшается.

Способы пуска и схемы подключения

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором отличается невысокой ценой, высокими пусковыми токами и малым пусковым усилием. Следовательно, для разных целей могут использоваться разные методы пуска для уменьшения пускового тока в обмотках и повышения производительности:

• постоянный — напряжение на электродвигатель подается через пускатели или контакторы;
• переключение схемы соединения обмоток двигателя со звезды на треугольник;
• падение напряжения;
• плавный старт;
• изменением частоты питающего напряжения.

Однофазный асинхронный двигатель.

Для однофазного асинхронного электродвигателя можно использовать три основных метода пуска:

• Разделенный полюс — используется в специально разработанных электродвигателях, но недостатком этого метода является постоянная потеря мощности.

• При пуске конденсатора: вводит пусковой конденсатор во время пуска асинхронного двигателя и удаляет его из цепи через несколько секунд после начала работы. Обладает максимальным крутящим моментом.
• При включении резистора электродвигателя — обеспечивает начальный сдвиг между векторами ЭДС обмоток для скольжения в асинхронной машине.

Трехфазный асинхронный двигатель.

Трехфазные асинхронные блоки могут быть подключены следующими способами:

• Непосредственно в цепи через пускатель или контактор, что позволяет упростить процесс, но генерирует максимальные токи. Этот метод не подходит для высоких механических нагрузок на вал.
• Путем переключения схемы со звезды на треугольник он используется для уменьшения токов в обмотках электродвигателя за счет снижения напряжения питания с линейного на фазное.
• Подключение через преобразователь напряжения, реостаты или автотрансформатор для уменьшения разности потенциалов. Также используется изменение количества пар полюсов, частоты питающего напряжения и др.

Кроме того, трехфазные асинхронные двигатели могут использовать схему прямого и обратного включения. Первый вариант используется только для вращения вала двигателя в одном направлении. В реверсивной схеме можно изменять движение рабочего тела в прямом и обратном направлениях.

Рис. 9: прямая цепь без возможности инверсии

Рассмотрим схему нереверсивного пуска асинхронного электродвигателя (рисунок 9). Здесь через трехполюсный выключатель QF1 питание подается на пускатель КМ1. При нажатии кнопки SB2 на обмотки электродвигателя будет подано напряжение, останавливается кнопкой SB1. Термореле KK1 используется для управления температурой нагрева, а лампа HL1 сигнализирует о состоянии зажигания контактора.

Рисунок 10: Схема прямого подключения с реверсом

Схема реверсирования (см. Рисунок 10) аналогична, но использует два пускателя КМ1 и КМ2. Прямое зажигание асинхронного электродвигателя осуществляется кнопкой SB2, обратное SB3.

Способ соединения “звезда”

«Звездный» метод предполагает соединение одних и тех же проводников обмотки (начало или концы обмоток) в одной точке (ноль.

В клеммной коробке двигателя это соединение будет выглядеть следующим образом.

Как видите, в данном случае с помощью железных пластин мы замкнули концы обмоток на общую точку.

Такое подключение в основном практикуется на промышленных двигателях. Часто производитель для двигателей, которые не будут продаваться через розничную сеть, подключает звезду уже внутри статора. К корпусу двигателя подключаются не 6 клемм, а 3. В этом случае достаточно просто подать трехфазное напряжение. Поэтому помните: если вы видите, что у асинхронного двигателя всего 3 провода, это означает, что его обмотки уже соединены звездой”.

Способ соединения “треугольник”

Соединение «треугольник» осуществляется по схеме: конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец второй — с началом третьей, а конец третьей — с началом второй начало первого. На точки подключения подается трехфазное питающее напряжение.

В движке это будет выглядеть так.

Применение

Сфера применения асинхронных электродвигателей охватывает довольно большой сегмент хозяйственной деятельности человека. Поэтому их можно встретить в различных видах станочного оборудования: токарном, шлифовальном, фрезерном, прокатном и т.д. В работе кранов, подъемников, подъемников и других механизмов.

Применяются для лифтов, горно-шахтного оборудования, землеройной техники, эскалаторов, конвейерных лент. В быту их можно встретить в вентиляторах, микроволновых печах, хлебопечках и других вспомогательных устройствах. Такая популярность асинхронных электродвигателей объясняется их значительными преимуществами.

Подключение асинхронного двигателя к однофазной сети

Перейдем к конструкции трехфазного асинхронного двигателя. Как известно, рабочих фаз у мотора 3, и клемм для их подключения тоже 3. А в однофазной домашней сети 220 Вольт всего два провода: фазный и нулевой. Что подключить к третьей клемме мотора? Если подключить к нему ответвление от одного из этих двух проводов, мы получим только короткое замыкание со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Выход — подключение такой ответвления через конденсатор. Слово «конденсатор» переводится на русский язык как «накопитель». Как известно, он работает по принципу заряда-разряда. То есть подключенный к сети конденсатор некоторое время накапливает заряд, а затем, разряжаясь, возвращает его в сеть. Времени, за которое конденсатор накапливает заряд, хватит, чтобы фаза, от которой он питается, «пошла» вперед, сдвинулась во времени. Сдвинув фазу, можно так сказать, «освободить место» для разряда, который будет излучать конденсатор, и исключить возможность «короткого замыкания». Из-за того, что при своей работе конденсатор «сдвигает» фазы, это называется фазовым сдвигом. Подробнее о том, как работает конденсатор в цепи переменного тока, можно прочитать в этой статье. Таким образом создается третий провод, необходимый для подключения мотора.

Схемы подключения к однофазной сети

Здесь все достаточно просто. Нам нужно подключить конденсатор между двумя фазами. На звездной диаграмме это будет выглядеть так.

Чтобы изменить вращение двигателя, просто поменяйте местами фазу (L) и ноль (N.

То же самое и со схемой подключения «треугольник”.

Как выбрать конденсатор

Выбирая конденсатор, следует помнить, что он имеет две характеристики: напряжение, на которое он рассчитан, и его электрическая емкость. Правило выбора напряжения можно выразить простыми словами: рабочее напряжение конденсатора, указанное на его корпусе, должно быть больше рабочего напряжения сети, к которой подключен двигатель. Точнее это правило выражается формулой:

Полученное значение может быть промежуточным. То есть такой, для которого нет конденсаторов. Например, для сети 220 В формула даст 311,13 В. Конденсаторы для этого напряжения не производились. Затем подбирается конденсатор на значение, ближайшее к верхнему. В нашем случае можно взять конденсатор на 380 вольт и больше.

Расчет емкости конденсатора

Расчет емкости конденсатора проводится по формуле, которая учитывает схему подключения обмоток двигателя. Дело в том, что при расчете емкости учитывается не только рабочее напряжение сети, но и ток, протекающий по обмоткам двигателя. Немаловажную роль играет тот факт, что во время пуска двигателя в обмотках появляется так называемый пусковой ток, который намного превышает рабочий ток двигателя. А поскольку рабочий ток мотора зависит от схемы переключения обмоток, то, конечно, и пусковой ток будет зависеть от этой схемы.

Итак, формула расчета конденсатора:

где это находится

С — требуемая емкость конденсатора, мкФ

К — коэффициент по схеме соединения обмоток

IN — номинальный ток двигателя, Ампер

U — напряжение сети, Вольт

Коэффициент К будет равен 4800 при соединении обмоток «треугольником» и 2800 — при соединении «звездой». В качестве примера здесь можно рассчитать мощность рассматриваемого двигателя, взяв необходимые данные с его паспортной таблички.

Соединение «треугольник»: C = 2,3 × 4800/220 = 50,2. Полученное значение оказалось дробным, поэтому округлим его до ближайшего целого числа. Итак, нам понадобится конденсатор емкостью 51 мкФ на напряжение 380 В.

Выбор типа конденсатора

Определенные нами конденсатор, емкость и рабочее напряжение должны быть правильного типа. Как известно, конденсаторы делятся на два типа — полярные и неполярные. Полярные имеют обозначения «+» и «-» на клеммах и используются в цепях постоянного тока. Неполярные обозначения на клеммах не имеют и функционируют ни в одной цепи. Также по способу производства они делятся на электролитические и неэлектролитические. Электролитические конденсаторы используются в основном в радиотехнике и электронике и чаще всего полярные. Они не подходят в качестве фазовращателей, хотя подходят по емкости и напряжению. Лучшие конденсаторы для работы с моторами — металлические и бумажные. Это конденсатор неполярного типа. Подходящие марки: МБГЧ, МБН, К42-19.

Затем конденсатор подбирается и подключается, обмотки собраны правильно, провода подключаются к клеммам — включаем мотор в сеть и понимаем, что он не развивает мощность, указанную на шильдике. Это хорошо. Это законы индуктивности и электродинамики — об этом нужно помнить. Трехфазный двигатель, подключенный к однофазной сети через конденсатор, не развивает более 60-65% номинальной мощности.

Теория и подключение пускового конденсатора

Выше по тексту уже было сказано, что при пуске двигателя возникает пусковой ток, который намного превышает рабочий ток двигателя. Поэтому, если оставить только рассчитанный нами конденсатор, мы не будем учитывать наличие пускового тока. Двигатель будет запускаться очень медленно, постепенно увеличивая обороты.

Чтобы исключить этот эффект, параллельно рабочему конденсатору подключают пусковой конденсатор. Все его характеристики должны были быть такими же, как у рабочего конденсатора, за исключением емкости. Его емкость равна емкости рабочего конденсатора, умноженной на 2,5.

Пусковой конденсатор подключают параллельно рабочему. Время его включения кратковременное, только до того момента, когда двигатель выйдет на стабильные обороты. Пусковой конденсатор, как правило, подключается с помощью кнопки мгновенного действия. То есть, пока кнопка нажата, пусковой конденсатор подключается к выводам двигателя.

Управление асинхронным двигателем

Способы подключения асинхронного электродвигателя к электросети:
• прямое подключение к сети
• подключение устройства плавного пуска
• подключение от преобразователя частоты

Варианты подключения асинхронного электродвигателя с помощью магнитного пускателя (слева), устройства плавного пуска (в центре) и преобразователя частоты (справа). Схемы представлены в упрощенном виде.
FU1-FU9 — предохранители, KK1 — тепловое реле, KM1 — магнитный пускатель, L1-L3 — контакты для подключения к трехфазной сети переменного тока, M1-M3 — асинхронные двигатели, QF1-QF3 — автоматические выключатели, UZ1 — устройство плавного пуска, UZ2 — преобразователь частоты

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения электродвигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

• нереверсивный старт: старт и стоп;
• обратный старт: старт, стоп и реверс.

Использование теплового реле позволяет защитить электродвигатель от токов, намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Схема необратимого подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного тока с помощью магнитного пускателя
L1, L2, L3 — контакты для подключения к трехфазной сети переменного тока, QF1 — выключатель, SB1 — кнопка остановки, SB2 — кнопка пуска, KM1 — магнитный пускатель, KK1 — тепловое реле, HL1 — сигнальная лампа, M — три однофазный асинхронный двигатель

Реверсивная схема

Реверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного тока с помощью магнитных пускателей
L1, L2, L3 — контакты для подключения к трехфазной сети переменного тока, QF1 — автоматический выключатель, КМ1, КМ2 — магнитные пускатели, КК1 — тепловое реле, М — трехфазный асинхронный двигатель, SB1 — кнопка останова, SB2 — кнопка пуска вперед, SB3 — кнопка пуска «назад» (реверс), HL1, HL2 — сигнальные лампы

Недостатком прямого переключения обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов при пуске электродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В приложениях, где нет необходимости регулировать скорость электродвигателя во время работы, используется устройство плавного пуска для уменьшения пусковых токов.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный двигатель от повреждений, вызванных внезапным увеличением потребляемой мощности во время пуска, ограничивая пусковые токи. Устройство плавного пуска позволяет плавно ускорять и замедлять асинхронный двигатель.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее преобразователя частоты. Он используется там, где регулировка скорости и крутящего момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Преобразователь частоты используется для управления скоростью вращения и крутящим моментом асинхронного двигателя. Принцип работы преобразователя частоты основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

Использование преобразователя частоты позволяет:
• снизить энергопотребление электродвигателя;
• контролировать скорость вращения электродвигателя (плавный пуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
• избегайте перегрузки электродвигателя и, таким образом, увеличения срока его службы.

Функциональная схема преобразователя частоты

В зависимости от функциональности преобразователи частоты реализуют следующие методы управления асинхронным электродвигателем:
• скалярное управление;
• векторное управление.

Скалярное управление является простым и недорогим в реализации, но имеет следующие недостатки: медленная реакция на изменения нагрузки и небольшой интервал управления. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка постоянна или изменяется по известному закону (например, управление вентилятором).

Векторное управление используется в деятельности, где необходимо независимо управлять скоростью и крутящим моментом электродвигателя (например, лифта), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения с переменным моментом нагрузки. В то же время векторное управление является наиболее эффективным с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди методов векторного управления асинхронными электродвигателями наиболее часто используются: управление по полю и прямое управление крутящим моментом.

Полевое управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и крутящим моментом), но в то же время для его реализации требуется информация о направлении вектора связи магнитного потока ротора двигателя.

По способу получения информации о расположении флюсовой связи ротора электродвигателя различают:
• полевое сенсорное управление;
• бездатчиковое управление по полю: положение магнитного соединения ротора вычисляется математически на основе информации, доступной в преобразователе частоты (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество полюсов двигателя пары).

Прямое управление крутящим моментом имеет простую схему и высокую рабочую динамику, но в то же время высокие пульсации крутящего момента и тока.