Что такое полюсы обмоток асинхронного двигателя

СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТКИ СТАТОРА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ПЕРЕКЛЮЧАЕМОЙ НА РАЗНЫЕ ЧИСЛА ПОЛЮСОВ Советский патент 1929 года по МПК H02K17/14

Описание патента на изобретение SU12147A1

Плавное регулирование оборотов индукционного мотора трехфазного тока возможно лишь с потерями энергии, вызываемыми включением сопротивления в цепь ротора или применением более сложных устройств в роде каскадного включения и т.п. Поэтому часто прибегают к методу переключения полюсов у трехфазных моторов, чтобы достигнуть, по крайней мере, нескольких определенных чисел оборотов. Для этой цели известны различные обмотки и соединения, дающие определенное соотношение чисел оборотов. В большинстве случаев, однако, определенная обмотка и определенное соединение бывают пригодны для одного лишь соотношения, например 1:2, так что для получения иных ступеней скоростей все же приходится прибегать к другим вспомогательным средствам, как, например, применение двух моторов в каскадном соединении или различных обмоток на одном моторе и т.д.

Предлагаемое изобретение касается способа соединения обмотки статора на числа полюсов, находящиеся в отношении 6:4:2 (6n:4n:2n) и заключается в том, что обмотка машины, соединенная при 6n полюсах треугольником, при 4n и 2n полюсах переключается по особой схеме на звезду-треугольник. При этом для каждого числа полюсов используются все витки обмотки, благодаря чему должно быть достигнуто сравнительно хорошее использование последней.

При получении числа полюсов 4n, согласно изобретению, для образования одной фазы служат те из 9n частей обмоток одной 6n-полюсной обмотки, которые являются соседними и смещены друг по отношению к другу на 6π, а также те части отдельных обмоток, которые лежат между двумя группами и сдвинуты по отношению к ним на , где 2π есть при этом угол в 360 электрических градусов.

Для получения числа полюсов 2n части отдельных обмоток включены навстречу друг другу описанным образом в образующихся фазах путем перемены начала и конца обмоток.

Известно уже полюсное переключение нормальной 6n-полюсной обмотки на 4n-полюсную, при котором из 9n частей 6n-полюсной обмотки каждые три катушки, смещенные на вместе с им противолежащими, смещенными на 6π, катушками, образуют одну фазу. Новое расположение, при котором три части обмотки не смещены на равномерно друг по отношению к другу, но при котором две части из них лежат непосредственно рядом, а третья сдвинута на , имеет, по сравнению с известными, прежде всего то преимущество, что из 4n-полюсного включения можно без дальнейших изменений получить 2n-полюсное. Достигается это путем включения в обратном направлении, меняя конец и начало той части обмотки, которая смещена на . Эта последняя операция у известного до сих пор способа включения была невозможна.

На чертеже фиг. 1 и 2 изображают схемы нормальной 12 (6n)-полюсной обмотки; фиг. 3 — схему этой же обмотки при 8 (4n)-полюсном включении; фиг. 4 — схему обмотки при 4 (2n) — полюсном включении; фиг. 5 и 6 — соответственно видоизменения двух последних схем.

Способ переключения обмотки на числа полюсов, находящиеся в отношении 6:4:2, описывается применительно к обмотке с числами полюсов соответственно 12, 8, 4, при чем указанная обмотка имеет наименьшее возможное число частей или катушек, а именно 18, и является обмоткой с одним проводом — на полюс и фазу. Изобретение может, разумеется, быть распространено без дальнейших изменений и к обмоткам со многими проводами на полюс и фазу; обмотки эти будут иметь тогда большее число частей или катушек. Таким образом, под упоминаемыми ниже частями обмотки следует понимать также и группы катушек.

Согласно изобретению, отдельные, получающиеся при переключении с 6n на 4n и 2n, фазы состоят каждая из стороны треугольника и двух лучей звезды смешанного соединения — звезда-треугольник (фиг. 3 и 4). Подразделение фаз на указанные части при этом выполнено так, чтобы обусловленные этим подразделением различные сдвиги фаз токов по времени в частях обмотки одной фазы соответствовали бы пространственным смещениям друг по отношению к другу этих частей обмоток внутри полюсного деления и направлению вращающегося поля, что способствует улучшению обмоточного коэффициента. При включении обмотки на 4n-полюсное соединение (фиг. 3) обе рядом лежащие части обмотки этой фазы, именно части 1 и 18, соответствуют частям 9 и 10 и распределены здесь по двум лучам звезды смешанного соединения звезда-треугольник, части же 5 и 14 принадлежат стороне треугольника, находящейся между указанными лучами. Для того, чтобы токи в лежащих рядом частях отстояли друг от друга на 60°, а в отклонении части одиночной обмотки — на 30° по фазе, части обмоток включены в одной звезде в противоположном направлении по сравнению с другой звездой так, что, например, части 1-10 подходят к нулевой точке звезды своими началами, часть же 9-18 — своими концами. Это противоположное включение указано на чертеже при помощи направления стрелок у частей обмоток. Для 4n-полюсного соединения, при котором лучи звезды соединены последовательно со сторонами треугольника, получается то, что при следовании по обмотке в направлении: луч звезды — сторона треугольника — луч звезды — все части обмоток оказываются включенными последовательно и в одном и том же направлении. Если нужно фазу 1 перестроить на 2n-полюсное включение (фиг. 4), достаточно включить последовательно в противоположном направлении части обмоток 5-14, принадлежащие стороне треугольника. Таким образом, фаза I образуется из частей обмотки 10, 1, 5, 14, 18 и 9, фаза II — из частей 13, 4, 17, 8, 3 и 12, фаза III — из частей 7, 16, 2, 11, 6 и 15. Как видно, лучи звезды составляются из частей двух фаз (это показано противоположным направлением стрелок).

На фиг.5 и 6 изображены несколько видоизмененные соединения для 4n и 2n полюсов. В этом случае рядом расположенные части обмоток фазы I (1-18, соотв. 9-10) подразделены на двух сторонах треугольника соединения звезда-треугольник, а части 5-14 образуют луч звезды, исходящий из угловой точки этих сторон треугольника. Для того, чтобы фазовые положения токов в лежащих рядом частях обмоток опять-таки отличались друг от друга на 60°, эти части обмотки включены по одной стороне треугольника в противоположном направлении по сравнению с другой стороной треугольника, так что не только части 9 и 18, но также и части 1 и 10 своими началами подходят к угловой точке сторон треугольника (показано направлением стрелок). Принадлежащая лучу звезды часть одиночной обмотки 5 и 14 подходит при 4n-полюсном соединении (фиг. 5) своими концами, при 2n-полюсном соединении (фиг. 6) — своими началами к угловой точке треугольника. Фаза тока в частях одиночной обмотки находится тогда снова между фазами токов в последовательно соединенных частях обмотки и имеет по сравнению с этими частями сдвиг по 30° в каждую сторону. Она подходит, таким образом, к пространственным смещениям частей обмотки фазы внутри полюсных делений. Фаза I образуется из частей обмотки 1, 10, 9, 18, 5 и 14; фаза II — из частей 3, 12, 13, 4, 8 и 17; фаза III — из частей 16, 7, 6, 15, 11 и 2.

Приведенные соединения звезда — треугольник (фиг. 3, 4, 5, 6) имеют тот недостаток, что сила тока в лучах звезды больше силы тока в сторонах треугольника в три раза, так что обмотка должна быть выполнена с различным сечением, если желательно избежать неравномерного нагревания. Этот недостаток можно устранить путем параллельного и последовательного включения частей обмотки, при котором все четыре части обмотки в лучах звезды включены частью параллельно, частью последовательно. Расположение это таково, что обе части, обмотки одной фазы включены последовательно, тогда как части, принадлежащие различным фазам, включены параллельно. Разумеется, можно было бы также избрать и другую схему соединений.

Предлагаемые полюсные соединения могут быть также устроены независимо от того, имеется ли обмотка с катушками одинаковой или разной ширины, а также — однослойная, многослойная или какая-нибудь другая обмотка.

Для различных обмоток получаются различные коэффициенты их при разных полюсных числах, и отсюда — разные магнитные индукции.

Магнитная индукция, как известно, зависит главным образом от приложенного напряжения, числа полюсов, обмоточного коэффициента, междуфазового коэффициента (т.-е. отношения напряжений и токов при различном соединении фаз) и также от числа последовательно включенных витков. Например, если задаться постоянным напряжением (чтобы избежать трансформатора) и определенным полюсным числом для данной схемы соединения, можно варьировать магнитную индукцию, а следовательно и момент вращения и мощность мотора для какого-нибудь определенного случая путем изменения обмоточного коэффициента, фазового коэффициента и числа последовательно включенных витков. При предложенной схеме соединения сам по себе обмоточный коэффициент в большинстве случаев различен и, кроме того, изменяется в зависимости от выбора рода обмотки.

Фазовый коэффициент меняется в зависимости от того, включена ли обмотка звездой или треугольником.

Таким образом получается большое разнообразие способов, для того, чтобы установить в определенном случае магнитную индукцию, а следовательно и вращающий момент мотора.

Похожие патенты SU12147A1

Иллюстрации к изобретению SU 12 147 A1

Формула изобретения SU 12 147 A1

1. Способ соединения обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя, переключаемой на числа полюсов, находящиеся в отношении 6:4:2, характеризующийся тем, что при переключении обмотки с 6n полюсов с целью получения соединения катушек обмотки в звезду-треугольник как 4n-, так и 2n-полюсной обмотки, соседние по расположению на статоре катушки, смещенные взаимно на угол 6π, где π отвечает полюсному шагу обмотки, например катушки 1, 18 или 9, 10 (фиг. 1), включаются в два луча звезды с соединением этих катушек навстречу друг другу, тогда как катушки, смещенные относительно первых на угол , например катушки 5 и 14 (фиг. 1), включаются в сторону треугольника, находящуюся между названными выше лучами звезды, при чем при 4n-полюсной обмотке все катушки, расположенные по пути: луч звезды — сторона треугольника — луч звезды соединяются последовательно, а при 2n-полюсной обмотке катушки, входящие в сторону треугольника, переключаются на обратное соединение (фиг. 6 и 7).

2. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 способа, отличающееся тем, что соседние по расположению на статоре катушки, например катушки 1 и 18 (фиг. 1), вводятся каждая в одну из сторон треугольника так, что к вершине последнего обращены начала, а катушки, смещенные относительно первых на угол , например катушки 5 и 14 (фиг.1), вводятся в луч звезды, выходящий из названной выше вершины и присоединяются к ней при 4n-полюсной обмотке своими «концами», а при 2n-полюсной обмотке — своими «началами» (фиг. 5 и 6).

Определяем начало и конец обмоток у трехфазного электродвигателя

Как найти начало и конец обмоток у трехфазного электродвигателя, если маркеры на них потерялись?

В ответе, лаконичном, но неверном, могло бы предлагаться определить обмотки с помощью тестера. На самом деле осуществить это у трехфазного электродвигателя не так-то просто.

Попробуем разобраться, как это сделать. Обмотки на статоре асинхронного трехфазного электродвигателя размещены в определенной последовательности и подключены к клеммам на соединительном щитке следующим образом (рис. 1). Клеммы с обозначениями С1, С2 и С3 относятся к началам трех фазных обмоток, а с обозначениями С4, С5 и С6 – к концам этих обмоток. Напряжение подается на клеммы С1, С2 и С3.

Если замкнуть между собой клеммы С6, С4 и С5, то обмотки
электродвигателя будут включены по схеме “звезда” (рис. 2), а если замкнуть попарно клеммы С1 и С6, С2 и С4 и С3 и С5 – то по схеме “треугольник” (рис. 3).

При этом совершенно небезразлично, какие выводы соединены друг с
другом, хотя само по себе понятие “начало” обмотки и ее “конец” весьма относительно. Поэтому просто “прозвонить” обмотки и найти, какие провода относятся к каждой из обмоток, – мало, нужно еще найти их “начала” и “концы”.
Предположим, мы установили выводы трех обмоток и обозначили их
буквами А-В, C-D и E-F, но не знаем, какие из выводов являются “началом” обмоток (рис. 4). Соединим выводы так, как показано на рис. 5, включив обмотки по схеме “звезда”. При этом возможны два варианта: либо вам повезет и все три обмотки будут включены правильно, либо одна из обмоток окажется включенной наоборот (именно этот вариант показан на рис. 5).

Теперь подадим напряжение на выводы: а именно, на концы,
обозначенные буквами А, С и F. Подавать напряжение нужно
кратковременно, ведь, если мы включили обмотки так, как показано на рис. 5, электродвигатель, скорее всего, просто не запустится и его потребуется быстро отключить от сети. Однако некоторые типы электродвигателей начинают вращаться даже при таком неправильном включении обмоток, однако двигатель не развивает расчетную мощность и его легко в этом случае остановить за вал.

На следующем этапе наших испытаний отключим сетевое напряжение и поменяем местами выводы любой обмотки, например А-В (см. рис. 5).
Возможно, что вы угадаете, и все обмотки включены правильно – двигатель будет работать нормально. Но возможен вариант, что и после этого переключения ничего не изменится, то есть опять правильно будут включены только две обмотки. Тогда вернем концы обмотки А-В на прежние места и поменяем выводы на другой обмотке, например C-D. Если и в этом случае ничего не получится, восстановим прежнее подключение обмотки C-D и поменяем местами выводы последней из обмоток, то есть F-E.

Вот теперь все три обмотки будут включены правильно. Как уже говорилось, вполне вероятно, вам повезет сразу, и вы с первой попытки включите обмотки правильно. Что же, прекрасно. Однако все-таки проверьте правильность включения двигателя переключением одной из обмоток. Что в этом случае произойдет, вы легко догадаетесь сами.

Далее следует обозначить концы обмоток в соответствии с принятыми нормами. Тем концам, которые были подключены к сети, присвойте обозначения С1 (другой конец этой обмотки – С4), С2 (другой конец – С5) и С3 (другой конец – С6), после чего закрепите их на клеммах соединительного щитка в соответствии с рис. 1.

А теперь небольшая информация для повышения эрудиции.
Трехфазные электродвигатели выпускаются на различные
номинальные напряжения, в частности на напряжения 220 и 380 В.
Номинальным напряжением трехфазного электродвигателя называется напряжение на фазной обмотке, то есть на клеммах С1-С4 или С2-С4 или С3-С6. Иногда номинальное напряжение трехфазного электродвигателя называют фазным напряжением электродвигателя.

В отличие от этого напряжение на зажимах С1, С2 и С3 (по отношению друг к другу) называется линейным для двигателя (для электрической сети -это фазное напряжение).
Значения фазного и линейного напряжений двигателя совпадают при
включении обмоток электродвигателя “треугольником”, а при соединении обмоток в “звезду” линейное напряжение больше фазного в корень квадратный из 3 раз.

Если номинальное напряжение электродвигателя 220 В, то при
линейном напряжении в сети 380 В обмотки нужно соединять в “звезду”, а при линейном напряжении в сети 220 В обмотки придется соединять в “треугольник”. Иногда на табличке электродвигателя есть указание на это – надпись 220/380 В и “Δ/λ”. Смысл этого обозначения расшифровывается следующим образом: фазное напряжение для обмоток данного электродвигателя составляет 220 В, что реализуется при включении обмоток “треугольником”, а для использования этого электродвигателя в сети с
напряжением 380 В обмотки требуется соединять в “звезду”.

Соответственно, если номинальное напряжение электродвигателя 380 В, то при линейном напряжении в сети 380 В обмотки соединяют в “треугольник”, а соединив обмотки в “звезду”, его можно включить в трехфазную сеть с линейным напряжением 660 В. Включать такой электродвигатель в сеть с линейным напряжением 220 В бессмысленно – он работать не сможет.

Что такое трехфазный двигатель и как он работает

В современной электротехнике из всех типов электродвигателей на переменном токе трехфазный двигатель получил наиболее широкое распространение. Такая популярность связана с его экономичностью и удобством в эксплуатации. Чтобы понять основную идею конструкции, основанной на применении трехфазного тока, и принцип работы двигателя с вращающимся магнитным полем, мы подготовили подробный материал.

В статье разобраны главные принципы работы трехфазных асинхронных двигателей, характеристики и различия в их устройстве. В качестве бонуса в статье читатель найдет видео c наглядным разбором устройства. Интересующие подробности можно уточнить в комментариях, эксперты ответят на любые ваши вопросы.

Устройство (статор и ротор асинхронных двигателей)

Трехфазный асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора и ротора. Три обмотки размещены в пазах на внутренней стороне сердечника статора асинхронного двигателя. Обмотка же ротора асинхронного двигателя не имеет электрического соединения с сетью и с обмоткой статора. Начало и концы фаз обмоток статора присоединяют к зажимам в коробке выводов по схеме звезда или треугольник.

Асинхронные двигатели в основном различаются устройством ротора, который бывает двух типов: фазный или короткозамкнутый. Чтобы лучше понять работу трехфазного двигателя, необходимо разобраться, что такое асинхронный двигатель и принцип его действия.

Обмотка короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя выполняется на цилиндре из медных стержней и называется “беличьей клеткой”. Торцевые концы стержней замыкают металлическими кольцами. Пакет ротора набирают из электротехнической стали. В двигателях меньшей мощности стержни заливают алюминием. Фазный ротор и статор имеют трехфазную обмотку. Фазы обмотки соединяют звездой или треугольником и ее свободные концы выводят на изолированные контактные кольца.

Где применяются

Трехфазные электродвигатели — довольно емкое понятие, включающее в себя разные виды по назначению, конструкции, и другим факторам электрических машин, делятся на три большие группы:

• общепромышленные (в свою очередь имеют очень много различных специальных исполнений на основе стандартной модификации);
• крановые (делятся по типу ротора: с фазным или короткозамкнутым);
• взрывозащищенные (тоже подразделяются на два основных типа: нефтехимические и рудничные).

Получение вращающегося магнитного поля

При наличии трехфазного тока, то есть системы трех токов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на треть периода, очень легко получить вращающееся магнитное поле без механического вращения магнита и без всяких дополнительных устройств.

Вращающееся поле создается трехфазной системой токов, подводимых к обмоткам статора, которые могут быть соединены между собой либо звездой, либо треугольником. Если в такое вращающееся поле поместить металлическое кольцо (или, еще лучше, катушку), то в нем будут индуцироваться токи так же, как если бы кольцо (катушка) вращалось в неподвижном поле.

Обмотка статора асинхронного двигателя в виде трех катушек уложена в пазы, расположенные под углом в 120 градусов. Начало и конца катушек обозначаются соответственно буквами A, B, C и X, Y, Z. При подаче на катушки трехфазного напряжения в них установятся токи Ia, Ib, Ic и катушки создадут собственное переменное магнитное поле.

Ток в любой катушке положительный, когда он направлен от начала к ее концу и отрицательный при обратном направлении. Векторы намагничивающей силы совпадают с осями катушек, а их величина определяется значениями токов, направление результирующего вектора совпадает с осью катушки.

Вектор результирующей намагничивающей силы поворачивается на 120 градусов сохраняя величину совпадает с осью соответствующей катушки. Таким образом за период, результирующее магнитное поле статора совершает оборот с неизменной скоростью. Работа трехфазного асинхронного двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, наводимыми в проводниках ротора.

Принцип работы

Принцип работы двух и многофазных двигателей был разработан Николой Теслой и запатентован. Доливо-Добровольский усовершенствовал конструкцию электродвигателя и предложил использовать три фазы вместо двух, используемых Н. Теслой.

Совокупность моментов созданных отдельными проводниками образует результирующий вращающий момент двигателя, возникает электромагнитная пара сил, которая стремится повернуть ротор в направлении движения электромагнитного поля статора.

Ротор приходит во вращение приобретает определенную скорость, магнитное поле и ротор вращаются с разными скоростями или асинхронно. Применительно к асинхронным двигателям, скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля статора.

Вращающий момент двигателя создается силами взаимодействия магнитного поля и токов, индуцируемых им в роторе, а сила этих токов определяется относительной частотой вращения поля по отношению к ротору, который сам вращается в ту же сторону, что и поле.

Поэтому, если бы ротор вращался с той же частотой, что и поле, то никакого относительного движения их не было бы. Тогда ротор находился бы в покое относительно поля и в нем не возникала бы никакая индуцированная э. д. с., то есть в роторе не было бы тока и не могли бы возникнуть, силы, приводящие его во вращение. Отсюда ясно, что двигатель описываемого типа может работать только при частоте вращения ротора, несколько отличающейся от частоты вращения поля, то есть от частоты тока.

Поэтому такие двигатели в технике принято называть «асинхронными» (от греческого слова «синхронос» – совпадающий или согласованный во времени, частица «а» означает отрицание). Если машины, приводимые в действие двигателем, требуют иной частоты вращения, чем этот двигатель дает, то предпочитают применять зубчатые или ременные передачи с различными передаточными числами.

Само собой разумеется, что при возрастании нагрузки двигателя, то есть отдаваемой им механической мощности, должен возрастать не только ток в роторе, но и ток в статоре для того, чтобы двигатель мог поглощать из сети соответствующую электрическую мощность. Поэтому при работе с двигателями необходимо твердо соблюдать следующие правила:

1. Необходимо всегда подбирать двигатель такой мощности, какую фактически требует приводимая им в действие машина.
2. Если нагрузка двигателя не достигает 40 % нормальной, а обмотки статора включены треугольником, то целесообразно переключить их на звезду.
3. Для того чтобы изменить направление вращения вала двигателя на обратное, необходимо поменять местами два линейных провода, присоединенных к двигателю. Это легко осуществить при помощи двухполюсного переключателя.

Это осуществляется автоматически вследствие того, что ток в роторе также создает в окружающем пространстве свое магнитное поле, воздействующее на обмотки статора и индуцирующее в них некоторую э. д. с. Связь между магнитным потоком ротора и статора, или, как говорят, «реакция якоря», обусловливает изменения тока в статоре и обеспечивает согласование электрической мощности, отбираемой из сети, с механической мощностью, отдаваемой двигателем.

В асинхронных двигателях с большим моментом инерции необходимо увеличение вращающего момента с одновременным ограничением пусковых токов – для этих целей применяют двигатели с фазным ротором. Для увеличения начального пускового момента в схему ротора включают трехфазный реостат.

В начале пуска он введен полностью, пусковой ток при этом уменьшается. При работе реостат полностью выведен. Для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют три схемы: с реактивной катушкой, с автотрансформатором и с переключением со звезды на треугольник. Рубильник последовательно соединяет реактивную катушку и статор двигателя.

Когда скорость ротора приблизится к номинальной, замыкается рубильник, он закорачивает катушка и статор переключаются на полное напряжение сети. При автотрансформаторном пуске по мере разгона двигателя, автотрансформатор переводится в рабочее положение, в котором на статор подается полное напряжение сети. Пуск асинхронного двигателя с предварительным включением обмотки статора звездой и последующим переключением ее на треугольник дает трехкратное уменьшение тока.

Для предупреждения этой опасности следует при напряжениях свыше 150 В относительно Земли заземлять станины и кожухи электрических машин и трансформаторов, то есть надежно соединять их металлическими проводами или стержнями с Землей. Это выполняется по специальным правилам, которые необходимо строго соблюдать во избежание несчастных случаев.

Трёхфазный двигатель приспособлен к трёхфазной сети, а к однофазной сети лучше подходит двухфазный двигатель со сдвигом фазы во второй обмотке либо через конденсатор (конденсаторные двигатели), либо через индуктивность.

Отличия подключения трехфазного асинхронного двигателя с одинарным или двойным напряжением иногда приводят к выходу из строя мотора – если не обратить внимание на то, какое напряжение верхнее, а какое нижнее, можно его подключить неправильно и он сгорит.

Когда мы включаем в сеть ненагруженный двигатель, то в первые моменты равно или близко к нулю, частота вращения поля относительно ротора велика и индуцированная в роторе э. д. с. соответственно также велика – она раз в 20 превосходит ту э. д. с., которая возникает в роторе при работе двигателя с нормальной мощностью. Ток в роторе при этом тоже значительно превосходит нормальный.

Возможно, вам будет интересно также почитать про малоизвестные факты о двигателях постоянного тока в другой нашей статье.

Изменение частоты вращения ротора

Параллельные обмотки двух фаз образуют одну пару полюсов сдвинутые в пространстве на 120 градусов. Последовательное соединение обмоток образует две пары полюсов, что дает возможность уменьшить скорость вращения в два раза. Для регулирования скорости вращения ротора изменением частоты тока используют отдельный источник тока или преобразователь энергии с регулируемой частотой, выполненный на тиристорах.

Двигатель развивает в момент пуска довольно значительный вращающий момент, и так как инерция его сравнительно невелика, то частота вращения ротора быстро нарастает и почти сравнивается с частотой вращения поля, так что относительная частота их становится почти равной нулю и ток в роторе быстро спадает.

Для двигателей малой и средней мощности кратковременная перегрузка их при пуске не представляет опасности, при запуске же очень мощных двигателей (десятки и сотни киловатт) применяются специальные пусковые реостаты, ослабляющие ток в обмотке; по мере достижения нормальной частоты вращения ротора эти реостаты постепенно выключают.

По мере того, как возрастает нагрузка двигателя, частота вращения ротора несколько уменьшается, частота вращения поля относительно ротора возрастает, и вместе с тем растут ток в роторе и развиваемый двигателем вращающий момент.

Однако для изменения мощности двигателя от нуля до нормального значения требуется очень небольшое изменение частоты вращения ротора, примерно до 6 % от максимального значения. Таким образом, асинхронный трехфазный двигатель сохраняет почти постоянную частоту вращения ротора при очень широких колебаниях нагрузки.

Регулировать эту частоту в принципе возможно, но соответствующие устройства сложны и неэкономичны и потому на практике применяются очень редко. Если машины, приводимые в действие двигателем, требуют иной частоты вращения, чем этот двигатель дает, то предпочитают применять зубчатые или ременные передачи с различными передаточными числами.

Способы торможения двигателей

При торможении противовключением меняются два провода соединяющих трехфазную сеть с обмотками статора, изменяя при этом направление движения магнитного поля машины. При этом наступает режим электромагнитного тормоза. Для динамического торможения обмотка статора отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного тока. Неподвижное поле статора заставляет ротор быстро останавливаться.

Для лучшего понимания механизмов торможения двигателей рекомендуем также подробнее прочитать все что нужно знать о шаговых электродвигателях.

После отключения от сети электродвигатель продолжает движение по инерции. При этом кинетическая энергия расходуется на преодоление всех видов сопротивлений движению. Поэтому скорость электродвигателя через промежуток времени, в течение которого будет израсходована вся кинетическая энергия, становится равной нулю.

Такая остановка электродвигателя при движении по инерции называется свободным выбегом. Многие электродвигатели, работающие в продолжительном режиме или со значительными нагрузками, останавливают путем свободного выбега.

Более грубой и универсальной защитой, обязательной по правилам эксплуатации и обычно достаточной при правильно подобранных параметрах, является установка трёхфазных автоматических выключателей (по одному на двигатель), которые отключают питание в случае длительного (до несколько минут) превышения номинального тока по любой из фаз, что является следствием перегрузки двигателя, перекоса или обрыва фаз.

Преимущества и недостатки асинхронного двигателя

Подавляющее большинство электродвигателей, используемых в промышленности – асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В новом оборудовании их доля составляет более 95%, остальное – серводвигатели, шаговые двигатели, щеточные двигатели постоянного тока и некоторые другие специфические виды приводов.

Преимущества асинхронного двигателя

Конструкция. По сравнению с другими типами электродвигателей асинхронный двигатель имеет наиболее простую конструкцию. С одной стороны это объясняется использованием стандартной трехфазной системы электроснабжения, с другой – принципом действия агрегата. Данная особенность обуславливает еще одно важное преимущество — невысокую цену асинхронных приводов. Среди двигателей разных типов одинаковой мощности асинхронный будет самым дешевым.

Подключение. Благодаря тому, что в стандартной трехфазной системе питания фазы сдвинуты на 120°, для формирования вращающегося поля не нужны дополнительные элементы и преобразования. Вращение поля внутри статора и, как следствие, вращение ротора обусловлены самой конструкцией асинхронного двигателя. Достаточно обеспечить подачу напряжения через коммутационный аппарат (контактор или пускатель), и двигатель будет работать.

Эксплуатация. Затраты на эксплуатацию асинхронного электродвигателя крайне малы, а обслуживание не представляет никаких сложностей. Нужно лишь время от время проводить чистку от пыли и по необходимости протягивать контакты подключения. При правильной установке и эксплуатации двигателя замена подшипников производится раз в 15-20 лет.

Недостатки асинхронных двигателей

Скорость вращения ротора. Скорость вращения вала двигателя зависит от частоты питающей сети (стандартные значения в промышленности – 50 и 60 Гц) и от количества полюсов обмоток статора.

Это можно считать недостатком в том случае, когда необходимо в процессе работы менять скорость вращения. Для решения данной проблемы были разработаны многоскоростные асинхронные двигатели, у которых имеется возможность переключения обмоток.

Кроме того, в современном оборудовании управление скоростью реализуется за счет преобразователей частоты.

Скольжение. Эффект скольжения проявляется в том, что частота вращения ротора всегда будет меньше частоты вращения поля внутри статора. Это заложено в принцип работы асинхронного двигателя и отражено в его названии. Скольжение также зависит от механической нагрузки на валу.

При необходимости скольжение можно скомпенсировать, а скорость вращения сделать независимой от нагрузки при помощи преобразователя частоты.

Величина напряжения питания. В сырых и влажных помещениях, где действуют повышенные требования к электробезопасности, применение асинхронного электродвигателя может быть невозможным. Дело в том, что из-за конструктивных особенностей такие двигатели практически не производятся на напряжение питания менее 220 В. В таких случаях применяют приводы постоянного тока, рассчитанные на напряжение 48 В и менее, либо используют гидравлические или пневматические приводы.

Чувствительность к напряжению питания. При отклонении напряжения питания более чем на 5% параметры двигателя могут отличаться от номинальных, а сам агрегат может перегреваться. Кроме того, при понижении напряжения падает момент электродвигателя, который квадратически зависит от напряжения.

При использовании преобразователя частоты скорость вращения меняется путем изменения величины и частоты питающего напряжения. Принципиально, что отношение напряжения к частоте должно быть константой.

Пусковой ток. Большой пусковой ток – проблема асинхронных двигателей мощностью более 10 кВт. При пуске ток может превышать номинальный в 5-8 раз и длиться несколько секунд. Из-за этого негативного эффекта мощные двигатели нежелательно подключать напрямую.

Чаще всего для понижения пускового тока применяют схему «Звезда-Треугольник», устройства плавного пуска и преобразователи частоты. Также можно использовать асинхронные двигатели с фазным ротором.

Пусковой момент. В силу электрических и механических переходных процессов в момент пуска двигатель обладает крайне низким КПД и большой реактивностью. Из-за низкого пускового момента привод может не справиться с началом вращения тяжелых механизмов. Этот же недостаток приводит к нагреву двигателя при пуске. Отсюда возникает другая проблема – ограничение количества пусков в единицу времени.

При использовании частотного преобразователя момент при пуске и на низких частотах может быть увеличен за счет повышения напряжения.

Вывод

Плюсы асинхронных двигателей значительно перевешивают минусы. В большинстве случаев недостатки компенсируются путем применения преобразователей частоты и других устройств пуска.