Электромагнитная схема асинхронного двигателя с 3 парами полюсов

Принцип работы электродвигателей

Магнетизм

Наиболее характерное магнитное явление — притяжение магнитом кусков железа — известно со времен глубокой древности. Ещё одной очень важной особенностью магнитов является наличие у них полюсов: северного (отрицательного) и южного (положительного). Противоположные полюса притягиваются, а одинаковые — отталкиваются друг от друга.

Магнитное поле

Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.

Электромагнетизм

Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.

Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.

Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.

Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.

Ротор:

Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.

Статор:

Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.

Вращение под действием магнитного поля

Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются друг от друга, противоположные полюса — притягиваются. Можно сказать, что это свойство используется для создания непрерывного движения ротора с помощью постоянной смены полярности статора. Ротором здесь, является магнит, который может вращаться.

Почему он вращается

Принцип работы электродвигателя переменного тока основан на феномене возникновения вращающегося магнитного поля, в двух или трех соленоидах, определенным образом ориентированных в пространстве.

Направление вектора электромагнитного поля определяется правилом левой руки, согласно которому четыре пальца указывают направление движения тока, а пятый (большой) – движения самого проводника под действием сил электромагнитной индукции, входящих в открытую ладонь.

Если соленоид один, то при пропускании через него переменного тока стальной сердечник совершает колебательные движения. Чтобы он смог совершить оборот на 360°, нужны минимум две катушки, расположенные перпендикулярно друг другу, из-за чего суммарный вектор силы электромагнитной индукции будет описывать окружность.

Лучший, более стабильный, результат получается при использовании трех соленоидов, расположенных под углом друг к другу в 120°. Сдвиг фазы тока в катушках соленоида может быть достигнут не только позиционированием, но и включением в цепь одного из них активной нагрузки. Например, конденсатора.

Расчетная схема и дифференциальные уравнения

Двухфазные электродвигатели принято описывать системой дифференциальных уравнений в неподвижной системе координат a _с b _с. Расчетная схема АД представлена на рис. 9.1.

Система дифференциальных уравнении имеет вид:

;

r – активное сопротивление обмотки, Y — потокосцепление.

ЭДС вращения, вводимые в уравнения обмоток ротора, определяются как:

W — скорость вращения ротора, p _п – число пар полюсов, w ₁ — частота питающего напряжения.

Потокосцепления обмоток машины:

где L ₁, L ₂ — коэффициенты самоиндукции обмоток статора и ротора, L_m — коэффициент взаимоиндукции между контурами статора и ротора при совпадении их осей.

Уравнение равновесия моментов

s — коэффициент проскальзывания вектора скорости вращения ротора относительно вектора вращающегося магнитного поля.

При записи через потокосцепления и токи электромагнитный момент для трехфазного АД

Типы двигателей

Основные типы двигателей асинхронного типа:

1. Мотор однофазного типа, оборудованный ротором с короткозамкнутой намоткой. В конструкции статора предусмотрена рабочая намотка для 1-й фазы, но для раскрутки вала двигателя используется пусковой элемент. Дополнительные витки провода подключаются через конденсатор или катушку индуктивности. Схема коммутации обеспечивает сдвига фаз, позволяющий провернуть стальной ротор.
2. Двигатель двухфазного или конденсаторного типа, отличающийся повышенной эффективностью при коммутации к бытовой сети переменного тока напряжением 220 В. В конструкции статора предусмотрены 2 катушки, смонтированные под углом 90°. Первичная намотка коммутируется к сети напрямую, а вторичная подсоединяется через емкость, обеспечивающую смещение фазы.
3. Агрегат трехфазного типа оборудован 3 неподвижными обмотками, установленными через 120°. После подачи напряжения формируется вращающееся магнитное поле, обеспечивающее поворот вала с короткозамкнутыми витками провода. Выводы статора соединяются “звездой” или “треугольником”, что допускает применение электромотора при напряжении 220 или 380 В. Изделия подобной конструкции используются в станках и грузоподъемных механизмах.
4. Трехфазная машина с фазной обмоткой оснащается подвижным ротором с сердечником с пазами, в который уложены витки медного провода. В остальных конструкциях в сердечнике находятся алюминиевые элементы. Концы проводки, соединенной “звездой” выведены на коллекторные кольца, которые изолированы от стальной оси двигателя. При помощи щеток на кольца подается переменное напряжение, обеспечивающее при пуске увеличенный крутящий момент. Устройства используются в механизмах, включаемых под нагрузкой (например, лебедки лифтов).

Существуют моторы с питанием роторных катушек при помощи несимметричного раствора щеток. В конструкции подвижного элемента установлены 2 катушки, которые подключены к внешней сети и к вторичной неподвижной намотке на статоре. Конструкция позволяет регулировать частоту вращения, но отличается повышенной сложностью и требует регулярного обслуживания.

Изделия использовались в 30-40-х гг. прошлого столетия для привода промышленного оборудования, но затем были вытеснены стандартными электродвигателями с фазными роторами.

Подключение

Статорные обмотки трёхфазного АДКР можно подключать по схеме «треугольник» либо «звезда». При этом для звёздочки требуется напряжение выше, чем для треугольника.

Обратите внимание на то, что электродвигатель, подключенный разными способами к одной и той же сети, потребляет разную мощность. Поэтому нельзя подключать электромотор, рассчитанный на схему «звезда» по принципу треугольника. Но с целью уменьшения пусковых токов можно коммутировать на время пуска контакты звезды в треугольник, но тогда уменьшится и пусковой момент.

Схемы включения понятны из рисунка 4.

Рис. 4. Схемы подключения

Для подключения трёхфазного электрического двигателя к однофазному току применяют фазосдвигающие элементы: конденсаторы, резисторы. Примеры таких подключений смотрите на рисунке 5. Можно использовать как звезду, так и треугольник.

Рис. 5. Примеры схем подключений в однофазную сеть

С целью управления работой двигателя в электрическую цепь статора подключаются дополнительные устройства.

Работа устройств со специфической подвижной частью

Привычным вариантом роторного узла трехфазного асинхронного электродвигателя является короткозамкнутый типа «беличья клетка», который набирается из стальных пластин. Когда существует необходимость снизить номинал пусковых токов с возможностью регулирования частоты вращения, тогда используется фазный ротор. Характерной его особенностью являются две группы выводов:

1. Статорная. Классический клеммный блок, на который подводится напряжение сети (380 или 220В),
2. Роторная. Дополнительный клеммник для выводов обмоток фазного ротора, к которым подключаются контакты реостата (блока сопротивлений).

Последний необходим для плавного пуска с постепенным включением/отключением отдельных сопротивлений в обмоточной цепи фазного ротора.

Эквивалентная схема

Эквивалентная схема любого устройства демонстрирует различные параметры устройства, такие как омические потери, а также иные потери. Потери моделируются всего лишь за счёт индуктора и резистора. Потери меди имеют место быть в обмотках, поэтому принимается во внимание сопротивление обмотки.

Также обмотка обладает индуктивностью, для которой существует сброс напряжения, за счёт индукционного реактивного сопротивления, а также благодаря такому фактору как коэффициент мощности, который есть на рисунке. Существует два типа эквивалентных схем в случае с трёхфазным асинхронным электродвигателем.

Точная эквивалентная схема

Здесь R1 является сопротивлением обмотки статора.
X1 является индуктивностью обмотки статора.
Rc является компонентом потерь сердечника.
XM является намагничивающим реактивном сопротивлением обмотки.
R2/s является энергией ротора, которая включает в себя механическую энергию на выходе и потери меди ротора.

Если мы нарисуем схему, включающую статор, то схема будет выглядеть так:

Здесь все другие параметры одинаковы, за исключением:

R2’ является сопротивлением обмотки ротора, имеющим отношение к обмотке статора.
X2’ является индуктивностью обмотки ротора, имеющим отношение к обмотке статора.
R2(1 – s) / s является сопротивлением, которое показывает энергию, которая преобразуется в механическую энергию на выходе или полезную энергию. Энергия, которая рассеивается в том резисторе, является полезной энергией или энергией вала.

Примерная эквивалентная схема

Такая эквивалентная схема рисуется просто для того, чтобы упростить вычисление за счёт удаления одной вершины. Обходная ветка сдвинута к основной стороне. Это происходит, поскольку сброс напряжения между сопротивлением статора и индуктивностью меньше, и отсутствует большая разница между напряжением, которое подают, и тем напряжением, которое возникает. Как бы там ни было, это не является подходящим вариантом по следующим причинам:

1. Магнитная схема асинхронного электродвигателя имеет воздушный
промежуток, поэтому электрический ток больше по сравнению с
трансформатором, отсюда следует, что стоит применить точную
эквивалентную схему.

2. Индуктивность ротора и статора больше в асинхронном двигателе.

3. В асинхронном электродвигателе используются распространенные
обмотки.

Классификация

Все трехфазные электродвигатели можно разбить на две группы:

Синхронные. Вращаются со скоростью постоянного магнитного поля. Для повышения мощности, ротор изготовляется по принципу трансформатора – имеет обмотки и сердечник. Напряжение подается через угольные щетки на кольца коллектора (контакты), закрепленного на валу, а уж потом – на катушки ротора.

Маломощные синхронные двигатели используются в бытовых стиральных машинах для работы насоса слива воды. Залипание угольных щеток, искрение, подгорание их, болтание на пружинах с потерей контакта – серьезные недостатки.

Асинхронные, с короткозамкнутым ротором. Вращательный импульс идет от возбуждения катушек статора. Короткозамкнутые витки выполнены в виде беличьего колеса. Ротор вращается со скоростью ниже, чем электромагнитное поле статора. Отсюда и его название.