Все о трехфазных электродвижках: от принципов работы до применений

Все о трехфазных электродвижках: от принципов работы до применений

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле - это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

• где n₁– частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
• f₁– частота переменного тока, Гц,
• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Магнитное поле прямого проводника с постоянным током

Магнитное поле создаваемое обмоткой

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель . Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор "беличья клетка" наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый ротор

Магнитный момент действующий на ротор

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое трехфазный электропривод

Трехфазный асинхронный электродвигатель может быть подключен к бытовой электрической сети с напряжением 220 вольт с использованием специальных фазосдвигающих элементов — резисторов, дросселей или конденсаторов. При этом мотор может работать как в однофазном режиме с пусковой обмоткой либо как конденсаторное устройство с постоянно включенным в цепь рабочим конденсатором.

Сдвиг фаз с помощью конденсаторов

Прямое подключение трехфазного двигателя в электросеть 220 вольт не даст ожидаемого эффекта ввиду отсутствия возникновения в моторе необходимого пускового вращающего момента. Правильным решением является применение специальных пусковых устройств, создающих сдвиг фаз. Без данного условия электромотор не сможет запуститься и не будет способен в течение длительного времени стабильно функционировать под нагрузкой.

Одним из наиболее эффективных и доступных фазосдвигающих элементов является конденсатор. Данная радиотехническая деталь обеспечивает существенное снижение времени входа двигателя в рабочий режим (пусковой конденсатор) и оптимальную нагрузочную способность мотора (рабочий конденсатор).

Схемотехника подключения трехфазных двигателей к однофазной сети

Подключение «звездой» выполняется в соответствии с распространенной схемой соединения обмоток с использованием всех трех цепей. Фазы имеют общую точку (нейтраль).

Схема собирается после проверки полярности подключения обмоток статора внутри электромотора. Напряжение 220 вольт через автоматический выключатель подается на начала двух разных обмоток. К одной из них в разрыв врезаются конденсаторы — пусковой и рабочий. Ноль электросети подводится к третьему выводу.

Подключение «треугольником» повторяет алгоритм предыдущей схемы в части запуска, но отличается способом соединения обмоток статора. Данный вариант генерирует более высокие токи, поэтому рабочие конденсаторы здесь должны иметь большие номиналы.

Как работает трехфазный электродвижок

Преимущества и недостатки трёхфазного тока перед однофазным

Трёхфазный ток представляет собой вид переменного тока (AC), который применяется в различных областях жизни - от промышленности до бытового использования в домах и квартирах. Для передачи трёхфазного тока используется трёхфазная электрическая сеть, включающая три электрические цепи, по которым протекают переменные токи с одинаковой амплитудой и частотой 50Гц.

Преимущества трёхфазного тока по сравнению с однофазным включают в себя несколько аспектов. Во-первых, трёхфазный ток обеспечивает большую мощность , начиная от 15 кВт (по 5 кВт на каждую цепь). Это позволяет подключать как трёхфазные, так и однофазные электроприборы, включая энергоемкие оборудования , вроде трёхфазных электромоторов, хотя следует учитывать лимит выделенной мощности. 

Кроме того, трёхфазная система позволяет оптимально распределить нагрузку между тремя проводниками , что особенно важно при использовании большого количества электротехники. Дополнительно, возможность создания резервной линии является значимым преимуществом. При отказе одного или двух проводников критическую нагрузку можно переключить на работающую линию с помощью реле выбора фаз, установленного в распределительном щите.

Теперь поговорим о недостатках . 

Во-первых, высокая цена - на покупку счетчика, защитных устройств, реле контроля напряжения, проводов и других компонентов требуются значительные затраты. Если необходима защита, то трехфазные стабилизаторы или резервные источники питания будут стоить примерно в три раза дороже, чем их однофазные аналоги.

Вероятность перекоса фаз возможна из-за неравномерно распределенной нагрузки на каждой линии. При отказе одной из линий невозможно использовать электродвигатели, требующие три проводника, что требует дополнительной защиты от аварий в сети, если такая защита не предусмотрена в технике.

Монтаж требует более квалифицированных специалистов по сравнению с однофазной установкой, что может увеличить затраты на работу. 

И, наконец, распределительный щит трёхфазной системы имеет большие габариты , что может вызвать сложности при установке в ограниченных пространствах, например, в малогабаритных квартирах.

В чем преимущества использования трехфазного электродвижка по сравнению с однофазным

Асинхронный электродвигатель — это электрическая машина, работающая на переменном токе. Для создания крутящего момента она использует вращающееся магнитное поле, которое образуется в статоре. Электродвигатели асинхронные трехфазные находят применение в промышленности, строительстве, используются в бытовых приборах. Они обладают простой и надёжной конструкцией, требуют мало ухода, имеют простой запуск и выносят большие перегрузки.

Устройство и принцип работы

Асинхронный трехфазный двигатель имеет неподвижную часть — статор и вращающуюся — ротор. Между ротором и статором образован воздушный зазор около двух миллиметров. Статор двигателя имеет три обмотки, расположенные под углом 120°. Внутри находится магнитопровод. При подаче на обмотки переменного напряжения в них создаётся вращающееся магнитное поле, которое наводит индукционный ток в роторе.

Крутящий момент появляется при взаимодействии вращающихся магнитных полей статора и ротора. В рабочем режиме частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля. Из-за этого отставания двигатель называется асинхронным. Проводники трехфазной обмотки статора укладываются в пазах. Магнитопровод статора набирается из пластин.

Двигатели бывают с короткозамкнутым и фазным ротором. Короткозамкнутый ротор иногда называют «беличье колесо». Он составлен из стержней, замкнутых с торцов двумя кольцами. Материал стержней — это алюминий и реже медь или латунь. Фазные роторы имеют три обмотки, расположенные так же, как и на статоре.

Выводы обмотки соединяются с закреплёнными на валу контактными кольцами. Кольца изолируются между собой и от вала. С помощью щёток к ним присоединяется реостат, служащий для регулировки оборотов электродвигателя.

Способы подключения

Концы обмоток выводятся на клеммник и коммутируются по стандартным схемам «звезда» или «треугольник». Разница между схемами состоит в том, что у «звезды» линейное напряжение больше, чем у «треугольника». На практике часто применяют комбинированное подключение. Во время запуска и разгона коммутируют «звезду», а «треугольник» используют в рабочем режиме. Методы подключения двигателя к сети:

• Прямое подключение.
• Через устройство плавного пуска. Применяется в случае, когда регулировка требуется только в момент пуска.
• При помощи инвертора, который регулирует частоту подаваемого на вход напряжения. Он регулирует плавный пуск и остановку двигателя, изменяет частоту вращения ротора.

Преимущества и недостатки трёхфазных двигателей

Асинхронные электродвигатели находят применение в приводах станков, подъёмных кранов, лифтов, лебёдок, сельскохозяйственных машин, прокатных станов. К их преимуществам относятся следующие факторы:

простое устройство;
• надёжность и долговечность;
• невысокий уровень шума;
• работа прямо от трёхфазной сети.

Низкая стоимость электрических машин и простота в эксплуатации обуславливают их частое использование в промышленных установках. Но наряду с несомненными преимуществами у этих машин имеются и недостатки:

• Отсутствие простых способов регулирования скорости.
• Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки на валу. При увеличении нагрузки скорость вращения снижается.
• Высокий пусковой ток.
• Чувствительность к изменениям сетевого напряжения.
• Большое потребление реактивной мощности.

Асинхронные двигатели представляют собой индуктивную нагрузку и потребляют реактивную мощность, которая не производит механической работы. Она нагревает кабели, понижает напряжение, повышает ток.

Потребление индуктивной мощности можно компенсировать с помощью установки батарей конденсаторов параллельно мотору. Это позволит уменьшить потери и затраты на электроэнергию.

Защита электродвигателей

Автоматы защиты электродвигателя трёхфазного предохраняют от тока короткого замыкания, от длительных перегрузок, от дисбаланса фаз в электропитании или внутри электродвигателя. Это приводит к перегреву двигателя и к отказам в работе. Защитное устройство автоматически отключит двигатель при появлении нештатной ситуации .

Часто применяется защита электродвигателя при помощи универсальных мотор-автоматов. Эти устройства имеют модульную конструкцию и управляют работой силовых контакторов, а некоторые мотор-автоматы разрешают точно регулировать параметры защитного отключения.

При выборе асинхронных машин и в процессе их эксплуатации следует учитывать характеристики асинхронного электродвигателя. Только при этом условии можно добиться наиболее эффективного использования установки.

Какие применения имеет трехфазный электродвижок

Выбирать преобразователь частоты с запасом по мощности не имеет практического смысла, крутящий момент на валу электродвигателя не определяется мощностью преобразователя частоты, а цена двух устройств близкого номинала отличаться на 10-20%. Выбирается номинал преобразователя частоты, прежде всего, по току электродвигателя. Номинальное значение тока преобразователя частоты должно быть незначительно больше или равно номинальному току электродвигателя.

Для некоторых серий частотных преобразователей производитель указывает две мощности, что это значит?

По характеру нагрузки электродвигателя существует два режима работы:

• Легкий режим работы, он же насосный или вентиляторный.
  Этот режим работы характерен для центробежных механизмов, момент нагрузки которых пропорционален квадрату скорости вращения рабочего колеса, а мощность, потребляемая центробежным механизмом, изменяется пропорционально кубу частоты вращения рабочего колеса, что позволяет подбирать частотные преобразователи меньшей мощности.
• Нормальный режим работы, он же общепромышленный.
  Этот режим работы характерен для конвейеров с постоянным моментом нагрузки и подъемно-транспортных механизмов с высоким пусковым моментом.

К примеру, модель частотного преобразователя  Instart FCI-G3.7/P5.5-4B подходит для электродвигателя мощностью 3,7 кВт в общепромышленном режиме или 5,5 кВт в насосном режиме.

Как выбрать подходящий трехфазный электродвижок для своего приложения

Электродвигатели широко используются в различных областях: от бытовой техники до промышленности. Запуск двигателя, казалось бы, простая процедура, но требует соблюдения определенных правил и мер предосторожности. Кратко обсудим базовые моменты процесса.

Перед запуском:

1. Проверьте питание: Убедитесь, что питание подключено к электродвигателю и находится в рабочем состоянии.
2. Проверьте напряжение: Проверьте, соответствует ли напряжение сети напряжению, указанному на шильдике электродвигателя.
3. Проверьте наличие заземления: Убедитесь, что электродвигатель заземлен. Это важно для безопасности и предотвращения короткого замыкания.
4. Проверьте состояние двигателя: Осмотрите двигатель на наличие видимых повреждений, трещин или следов перегрева.
5. Проверьте смазку: Убедитесь, что двигатель смазан в соответствии с инструкцией производителя.

Запуск двигателя:

1. Включите питание: Аккуратно включите питание к электродвигателю.
2. Наблюдайте за пуском: Наблюдайте за работой двигателя в течение нескольких минут. Если он работает нормально, то все в порядке.
3. Проверка нагрузки: После запуска двигателя постепенно увеличивайте нагрузку, если это необходимо.
4. Контроль температуры: Контролируйте температуру двигателя во время работы. Она не должна быть слишком высокой.

В случае проблем:

Проблемы с пуском: Если двигатель не запускается, проверьте наличие питания, правильность подключения и состояние двигателя.
Неправильная работа: Если двигатель работает с шумом, вибрацией или перегревом, немедленно отключите его и обратитесь к специалисту.

Дополнительные советы:

Используйте правильный тип пусковой аппаратуры: Для запуска мощных двигателей может потребоваться специальная пусковая аппаратура, например, пускатели с плавным пуском.
Соблюдайте технику безопасности: При работе с электродвигателями важно соблюдать все меры предосторожности, в том числе использовать защитные средства.
Обратитесь к специалисту: Если вы не уверены в том, как запустить электродвигатель, обратитесь к квалифицированному электрику.

Как обеспечить безопасность при работе с трехфазными электродвижками

Этот вид приборов может устанавливаться в трехфазную и однофазную сеть переменного тока. По конструкции – это электрическая машина, работающая на переменном токе.

Она состоит из двух основных узлов:

• Статор . Это неподвижная деталь с тремя обмотками. Магнитное поле на них сдвинуто на 120⁰. При поступлении на них нагрузки возникает вращающееся магнитное поле в общей схеме прибора.
• Ротора . Это подвижная деталь, расположенная внутри статора. В зависимости от схемы и типа устройства могут быть с замедленным вращением ротора по отношению к магнитному полю статора. Эти приборы называют асинхронными. Выпускаются двигатели с одинаковой скоростью вращения – это оборудование называют синхронным.

Наибольшее распространение получили асинхронные электродвигатели трехфазного тока.

Особенности трехфазных двигателей

При преобразовании электрической энергии во вращение или в поступательное движение более 70% случаев применяются асинхронное оборудование, для всех типов электрических сетей, не зависимо от количества фаз.

Это связанно с некоторыми преимуществами такого электрооборудования. В основном это высокий уровень КПД при простой конструкции. Такие достоинства позволяют достигать минимальных затрат при обслуживании и эксплуатации. Данный вид может устанавливаться в однофазную сеть. При этом на одну обмотку поступает нагрузка в цепь с емкостью или индуктивностью. При этом происходит сдвиг фазы на 90⁰вперед или назад. Но при включении в однофазную сеть происходит небольшая потеря мощности.

Какие типы трехфазных электродвижков существуют

Трехфазный электродвигатель имеет 3 обмотки, у каждой из которых по два вывода. Для измерения сопротивления обмотки мультиметр переводится в режим омметра, его щупы соединяются с парой выводов. Предел измерения — 200 Ом или меньше. Необходимо последовательно прозвонить сопротивления всех трех обмоток. Полярность омметра в данном случае роли не играет.

Как узнать, какое должно быть сопротивление у обмоток? На данном этапе это неважно – главное, чтобы сопротивления были одинаковы. Расхождения показаний по обмоткам должны быть не более 10%.

Логично, что сопротивления обмоток зависят от мощности электродвигателя. У маломощных двигателей (сотни ватт) сопротивление каждой обмотки может составлять десятки Ом, у двигателей средней мощности (несколько киловатт) – единицы Ом. У приводов мощностью десятки киловатт сопротивление составляет доли ома, и обычным мультиметром проблематично точно его измерить.

Если мультиметр показывает 0 Ом, это говорит о коротком замыкании (начало и конец обмотки замкнуты). Можно попытаться устранить замыкание в районе борно, но это удается редко. Обычно в таких случаях двигатель разбирают или перематывают. Если на одной из обмоток мультиметр показывает бесконечность, произошел обрыв, и двигатель также подлежит разборке или перемотке.

Кроме того мультиметр позволяет без труда определить замыкание обмотки на корпус. В этом случае сопротивление между обмоткой и корпусом электродвигателя будет составлять единицы Ом (при нормальной изоляции — Мегаомы).

Как вы можете определить, что трехфазный электродвижок нуждается в ремонте

Для повышения эффективности работы трехфазного асинхронного электродвигателя на этапе пуска и после выхода на рабочий режим используют три метода:

Смена варианта подключения на ходу. В этом случае подключение обмоток к фазам выполняется через клеммный блок с возможностью переключения положения перемычек. В момент старта используется схема звезда. Она позволяет эффективно разогнать ротор. Затем оператор или автоматика выполняют переключение клеммного блока. Что приводит к соединению обмоток по типу треугольника. Мощность и крутящий момент увеличиваются.

Установка преобразователя частоты. Управляя частотой, можно влиять на скорость вращения ротора. Это свойство используется в устройствах плавного пуска. Во время пуска оно постепенно увеличивает частоту по заранее заданному алгоритму. Ротор раскручивается равномерно. Отбор мощности из электросети имеет менее выраженный характер. Что позволяет не нарушать стабильность электропитания других приборов, к ней подключенных.

Подходящий вариант подключения выбирается исходя из мощности агрегата и особенностей его эксплуатации. Современные устройства плавного пуска отличаются низкими потерями энергии и удобным форм-фактором в виде модуля для установки на DIN-рейку. Их удобно устанавливать в щит управления электромотором, насосной станцией и так далее.

Относительно возможности подключения трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети следует отметить следующее:

Подключение напрямую невозможно. Необходимый для эффективной работы угол сдвига фаз обеспечить без специальных устройств невозможно.

Подключение через преобразователь частоты возможно. При условии, что его производителем заявлена возможность работы от однофазного напряжения. На выходе можно получить трехфазный электроток с правильной формой импульсов.

Подключение через конденсатор. Использование конденсаторов позволяет имитировать три фазы при использовании однофазного напряжения. Но потери энергии будут значительно выше, чем при использовании преобразователя частоты. В схеме используются два конденсатора: пусковой и рабочий. Емкость приблизительно подбирается по специальным формулам, учитывающим мощность агрегата.

При использовании любой из двух описанных выше схем подключения трехфазного двигателя к однофазной сети необходимо использовать схему «треугольник». При этом важно, чтобы производитель заявлял возможность использования 220 В. В этом случае на табличке, прикрепленной к корпусу, можно увидеть обозначение 220/380 В с указанием типа подключения: треугольник/звезда.