Принцип работы трёхфазного двигателя

Принцип работы трёхфазного двигателя

Электродвигателем называется такое электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию. При использовании трёхфазной системы переменного тока, наиболее широко используется трёхфазный асинхронный двигатель, так как этот тип двигателя не требует в большинстве случаев пускового устройства. Большинство трёхфазных асинхронных двигателей запускается в работу с помощью прямого пуска с использованием коммутационных аппаратов.

Для лучшего понимания принципа работы трёхфазного асинхронного двигателя, необходимо знать его основные конструкционные особенности.

Этот двигатель состоит из двух основных частей, неподвижной части – статора, и вращающейся части – ротора.

Статор трёхфазного асинхронного двигателя имеет слоты (пазы), в которых размещаются обмотки на каждую фазу. Трёхфазная обмотка расположена таким образом, чтобы быть способной создать вращающееся магнитное поле при протекании по обмоткам переменного тока (AC) от трёх источников питания.

Ротор трёхфазного асинхронного двигателя состоит из цилиндрического ламинированного сердечника имеющего параллельные пазы на периферии. В этих пазах расположены проводники, которые замкнуты на конечных кольцах с торцов ротора. Эти проводники в виде стержней образуют короткозамкнутую обмотку ротора типа «беличья клетка».

Проводники на роторе выполнены обычно из алюминия, а также могут быть сделаны из меди или латуни. Пазы для проводников немного повёрнуты на поверхности ротора, поэтому они расположены под некоторым углом к валу ротора. Такое расположение позволяет уменьшить магнитное сцепление в момент пуска двигателя, а также сделать работу двигателя плавной, без рывков и пробуксовки.

Как работает трёхфазный асинхронный двигатель?

Прежде всего, для работы трёхфазного асинхронного двигателя, необходимо создать вращающееся магнитное поле.

Создание вращающегося магнитного поля

Обмотки, которые расположены на статоре, равномерно смещены на 120 градусов относительно друг друга. Обмотка каждой фазы смещена относительно двух других на угол 120 градусов, то есть по обе стороны через 120 градусов расположены соседние фазы. Статор представляет собой полый цилиндр, который в сечении представляет собой кольцо. Внутри такого цилиндра расположен ротор. Три источника тока, отличатся друг от друга фазовым сдвигом. Этот сдвиг также составляет 120 градусов. В итоге, при прохождении трёхфазного переменного тока в обмотках статора, внутри статора образуется вращающееся магнитное поле.

В чем секрет создания вращения магнитного поля? Так как ток переменный, то создаваемое каждой фазой магнитное поле будет также переменным. Магнитный поток, который порождается прохождением тока в каждой обмотке, будет изменяться во времени точно также как породивший его ток. В то время когда один магнитный поток от первой фазы будет возрастать по величине, магнитный поток от второй фазы достигнет своего максимального значения и начнёт убывать по величине, магнитный поток от третьей фазы будет всё более уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения.

Магнитный поток переменного синусоидального тока любой из фаз изменяется по величине и направлению, тем самым чередуясь и пульсируя. Там где ранее был северный магнитный полюс, становится южный, а там где был южный полюс, там на его месте образуется северный полюс. Магнитное поле как бы пульсирует, но не вращается. Если пространственно равномерно по окружности расположить три катушки (соленоиды) так, чтобы их сердечники были направлены к центру окружности, а затем соединить в один общий магнитопровод наружные концы соленоидов (катушек), то мы получим прототип статора трёхфазного асинхронного двигателя. Подключив каждую катушку к источнику переменного тока, а именно к трём разным фазам, которые сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов, мы получим не пульсирующее, а вращающееся магнитное поле.

По той причине, что магнитопровод будет общим, пульсирующие магнитные потоки от каждой катушки будут складываться с учётом направления и величины, тем самым образуя вращающийся вектор магнитного потока. Это удивительно, потому как статор неподвижен, но представляет собой магнит, поле такого магнита вращается, но статор остаётся неподвижен.

Как же преобразуется в дальнейшем электрическая энергия в механическую энергию? Если в статор, по обмоткам которого протекает трёхфазный ток и, соответственно, внутри него сосредоточено вращающееся магнитное поле, внести металлический предмет, то на него будет действовать механическая сила, которая будет пытаться этот предмет выкинуть из поля статора.

Как такое происходит? Магнитный поток статора индуцирует в короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя ЭДС, так как цепь ротора замкнута, то по ней будет протекать электрический ток, который создаст второй магнитный поток – поток ротора. Взаимодействие двух встречных потоков ротора и статора создаст крутящий момент на роторе, и он начнёт вращаться. В соответствии с законом Ленца, ротор будет вращаться в том направлении, которое позволяет уменьшить магнитный поток статора.

Следует заметить, что принцип работы асинхронного двигателя не допускает синхронной скорости ротора с магнитным полем статора. В этом случае исчезнет ЭДС индукции в роторе, и ротор начнёт останавливаться. Синхронизация не достижима для асинхронного электродвигателя, скорость ротора в двигательном режиме может быть меньше скорости вращения магнитного поля.

Если ротору придать дополнительный крутящий момент от внешнего механического источника, так, чтобы его скорость стала больше чем скорость вращающегося магнитного поля статора, тогда электрическая машина перейдёт в генераторный режим работы, при котором происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию.

Разница скоростей между статором и ротором позволяет говорить о таком явлении как скольжение ротора в магнитном поле статора. Необходимо помнить, что асинхронная электрическая машина переменного тока – это обратимая машина, которая может работать как в генераторном, так и двигательном режимах.

Читайте также:  Белый и синий провод где фаза

Как подключить трехфазный двигатель к сети 220 или 380 В?

Среди электрических машин, предназначенных для совершения механической работы, одними из наиболее продуктивных считаются трехфазные агрегаты. Вращение ротора осуществляется посредством одновременного воздействия магнитного потока от фазных обмоток. Что и обеспечивает одновременное усилие сразу трех моментов, пропорционально взаимодействующих друг с другом. Как можно выполнить подключение трехфазного двигателя в зависимости от их конструктивных особенностей и параметров электрической сети мы рассмотрим далее.

Общая информация

Подключение трехфазных двигателей подразумевает относительно сложную операцию, которая требует понимания процессов, протекающих в электроустановке. Для чего необходимо рассмотреть как составляющие элементы, так и их назначение.

Конструктивно трехфазные электродвигатели состоят из:

  • Статора с магнитопроводом;
  • Ротора с валом;
  • Обмоток.

В зависимости от типа двигателя встречаются модели с короткозамкнутым или фазным ротором. В одних ротор вращается только за счет электромагнитного поля, наводимого от обмоток статора, в других, вращение вала получает усилие от поля ротора при протекании тока в его обмотках. Для включения трехфазных двигателей необходимо разобраться с тем, как фазы обмоток соединяются между собой.

Схемы подключения обмоток двигателя

В трехфазных асинхронных электродвигателях применяется два варианта соединения – в звезду и треугольник. В трехфазных асинхронных электрических машинах, в зависимости от модели, можно реализовать схему:

  • Звезда;
  • Треугольник;
  • Звезда и треугольник.

Простейший способ определения возможностей конкретного асинхронного электромотора – посмотреть на шильд (металлическая пластина с техническими параметрами). На них обозначается в том числе и номинал рабочего напряжения для соответствующего соединения. Здесь может указываться обозначение только для звезды, только для треугольника или и тот и другой вариант одновременно, пример такой маркировки приведен на рисунке ниже:

Пример обозначения на шильде

Если шильд отсутствует или информация на нем стерлась, то схему подключения можно узнать, открыв блок распределения начал обмотки (БРНО). Если вы увидите 6 выводов, имеющих клеммные соединения, можно определить тип включения обмоток. Гораздо хуже, когда борно имеет только три вывода, а подключение производится внутри корпуса. В этом случае нужно разобрать трехфазный электромотор, чтобы увидеть способ соединения.

Звезда

Схема подключения трехфазного двигателя звездой предусматривает, что начало каждой обмотки объединяется в одну точку, а к их концам подключаются фазы от питающей линии. Такой тип обеспечивает значительно более плавный пуск и относительно щадящий режим работы. Однако мощность, с которой вращается ротор, в полтора раза ниже, чем при подключении треугольником. Схематически данное подключение выглядит следующим образом:

Схема подключения звезда

Как видите на рисунке, концы выводов обмоток трехфазного двигателя A2, B2, C2 соединены в один электрический узел. А к клеммам A1, B1, C1 – подключаются фазные провода, как правило, на 220 или 380 вольт.

Если рассматривать данную схему на примере борна, выглядеть оно будет так:

Соединение обмоток звездой

Треугольник

Чтобы подключить электродвигатель треугольником вам необходимо подвести конец одной обмотки к началу другой. И таким образом замкнуть обмотки в своеобразное кольцо, в точки соединения которых и подключаются выводы питающей линии. Схема соединения треугольником обеспечивает максимальный момент и усилие на валу, что особенно актуально для больших нагрузок. Однако и ток в обмотках при номинальной нагрузке также пропорционально повысится, не уже говоря о режимах перегрузки.

Поэтому включение трехфазного двигателя треугольником и требует понижения напряжения. К примеру, если одну и ту же электрическую машину можно подключить с соединением обмоток и треугольником, и звездой, то звезда будет иметь напряжение питания 380, а треугольник 220 вольт или 220 и 127 вольт соответственно. Схематически подключение обмоток треугольником будет выглядеть так:

Схема подключения треугольник

Как видите, соединение производится от A2 к B1, от B2 к C1, от C2 к A1, в некоторых моделях электрических машин маркировка выводов может отличаться, но на крышке борна будет отображаться их принадлежность к той или иной обмотке и возможные варианты соединения между собой.

Соединение обмоток треугольником

Варианты подключения

Трехфазные двигатели имеют отличные характеристики, довольно широкий модельный ряд и применяются в самых разнообразных устройствах. Поэтому их применяют как в промышленных устройствах с трехфазным питанием, так и в бытовых однофазных электроустановках. Далее разберем оба варианта подключения электрических машин.

В однофазную сеть

Конструктивная особенность трехфазного агрегата, в отличии от однофазных асинхронных двигателей, состоит в необходимости сдвига фаз в обмотках, иначе вращения вала не будет происходить. Чтобы изменить ситуацию одну фазу разделяют для всех трех обмоток, в две из которых включаются дополнительная индуктивность и пусковая емкость. Которые и обеспечивают сдвиг тока и напряжения относительно напряжения в сети. Индуктивность позволяет осуществить сдвиг напряжения в отрицательную область до -90°, а вот однофазный конденсатор, наоборот, в положительную до +90°.

Графически функция отставания напряжения от тока будет выглядеть следующим образом:

Изменение тока и напряжения на емкости и индуктивности

Однако на практике смещение обеспечивается только емкостными элементами, которые включаются в цепь электроснабжения одной из обмоток, а две другие запускаются между фазным и нулевым проводом. Схема подключения трехфазного двигателя в однофазной цепи приведена на рисунке ниже:

Схема включения в однофазную сеть

Как видите на рисунке, от фазного провода делается отпайка, содержащая конденсаторный однофазный магазин из двух элементов, один для пуска C2, второй для постоянной работы C1. При нажатии кнопки пуска происходит одновременное замыкание контактов SA1 и SA2, но после создания достаточного момента и начала вращения SA1 отбрасывается и выводит C1 из цепи, оставляя C2. Мощность, при такой схеме включения двигателя, снижается до 30 – 50%.

Читайте также:  Защитное заземление это

Расчет конденсаторного пуска производится по формуле:

Сраб = (2800*I)/U — для включения трехфазного двигателя звездой

Cраб = (4800*I)/U — для включения трехфазного двигателя треугольником

Пусковой конденсатор используется только в нагруженном пуске, поэтому в легком запуске его можно не применять. Тогда вместо емкости пускового будет задействоваться рабочий.

В трёхфазную сеть

В трехфазной сети, несмотря на наличие необходимого типа питающего напряжения, всегда используется магнитный пускатель для приведения двигателя во вращение. Производить запуск без пускателя или контактора довольно опасно, поэтому они являются неотъемлемым элементом.

Схема включения в трехфазную сеть

На рисунке выше приведена обычная схема подключения двигателя к трехфазной сети, которая работает по такому принципу:

  • подача напряжения на двигатель от сети производится через рубильник 1.
  • далее, при включении кнопки пуска 6 осуществляется питание катушки контактора 4, которая притягивает силовые контакты пускателя 3;
  • после чего двигатель начинает вращение, а пусковая кнопка 6 шунтируется через повторитель 5;
  • для остановки трехфазного двигателя используется кнопка Стоп – 7, находящаяся в нормально замкнутом положении;
  • защита двигателя от перегрузки контролирует токовую нагрузку в сети и при возникновении угрозы размыкает контакты 2.

Схема подключения трехфазного электродвигателя к трехфазной сети

При этом нет необходимости добавлять в схему подключения какие-то пусковые устройства, потому что магнитное поле будет образовываться в обмотках статора сразу же после пуска двигателя. Давайте рассмотрим один вопрос, который сегодня встречается часто на форумах электриков. Вопрос звучит так: как правильно провести подключение трехфазного электродвигателя к трехфазной сети?

Схемы подключения

Начнем с того, что рассмотрим конструкцию трехфазного электродвигателя. Нас здесь будут интересовать три обмотки, которые и создают магнитное поле, вращающее ротор мотора. То есть, именно так и происходит преобразование электрической энергии в механическую.

Существует две схемы подключения:

  • Звезда.
  • Треугольник.

Сразу же оговоримся, что подключение звездой делает пуск агрегата более плавным. Но при этом мощность электродвигателя будет ниже номинальной практически на 30%. В этом плане подключение треугольником выигрывает. Мощность подключенный таким образом мотор не теряет.

Но тут есть один нюанс, который касается токовой нагрузке. Эта величина резко возрастает при пуске, что негативно влияет на обмотку. Высокая сила тока в медном проводе повышает тепловую энергию, которая влияет на изоляцию провода. Это может привести к пробивке изоляции и выходу из строя самого электродвигателя.

Хотелось бы обратить ваше внимание на тот факт, что большое количество европейского оборудования, завезенного на просторы России, укомплектовано европейскими электрическими двигателями, которые работают под напряжением 400/690 вольт. Кстати, снизу фото шильдика такого мотора.

Так вот эти трехфазные электродвигатели надо подключать к отечественной сети 380В только по схеме треугольник. Если подключить европейский мотор звездой, то под нагрузкой он сразу же сгорит.

Отечественные же трехфазные электродвигатели к трехфазной сети подключаются по схеме звезда. Иногда подключение производят треугольником, это делается для того, чтобы выжать из мотора максимальную мощность, необходимую для некоторых видов технологического оборудования.

Производители сегодня предлагают трехфазные электродвигатели, в коробке подключения которых сделаны выводы концов обмоток в количестве трех или шести штук. Если концов три, то это значит, что на заводе внутри мотора уже сделана схема подключения звезда.

Если концов шесть, то трехфазный двигатель можно подключать к трехфазной сети и звездой, и треугольником. При использовании схемы звезда необходимо три конца начала обмоток соединить в одной скрутке. Три остальных (противоположных) подключить к фазам питающей трехфазной сети 380 вольт.

При использовании схемы треугольник нужно все концы соединить между собой по порядку, то есть последовательно. Фазы подключаются к трем точкам соединения концов обмоток между собой. Внизу фото, где показаны два вида подключения трехфазного двигателя.

Схема звезда-треугольник

Такая схема подключения к трехфазной сети используется достаточно редко. Но она существует, поэтому есть смысл сказать о ней несколько слов. Для чего она используется? Весь смысл такого соединения основан на позиции, что при пуске электродвигателя используется схема звезда, то есть плавный пуск, а для основной работы используется треугольник, то есть выжимается максимум мощности агрегата.

Правда, такая схема достаточно сложная. При этом обязательно устанавливаются в соединение обмоток три магнитных пускателя. Первый соединяется с питающей сетью с одной стороны, а с другой стороны к нему подсоединяются концы обмоток. Ко второму и третьему подключаются противоположные концы обмоток. Ко второму пускателю производится подсоединение треугольником, к третьему звездой.

Внимание! Одновременно включать второй и третий пускатели нельзя. Произойдет короткое замыкание между подключенными к ним фазами, что приведет к сбрасыванию автомата. Поэтому между ними устанавливается блокировка. По сути, все будет происходить так – при включении одного, размыкаются контакты у другого.

Принцип работы таков: при включении первого пускателя временное реле включает и пускатель номер три, то есть, подключенного по схеме звезда. Происходит плавный пуск электродвигателя. Реле времени задет определенный промежуток, в течение которого мотор перейдет в обычный режим работы. После чего пускатель номер три отключается, а включается второй элемент, переводя на схему треугольник.

Подключение электрического двигателя через магнитный пускатель

В принципе, схема подключения 3 фазного двигателя через магнитный пускатель практически точно такая же, как и через автомат. Просто в нее добавляется блок включения и выключения с кнопками «Пуск» и «Стоп».

Читайте также:  Чем измеряют напряжение

Одна из фаз подключения к электродвигателю проходит через кнопку «Пуск» (она нормально замкнутая). То есть, при ее нажатии смыкаются контакты, и ток начинает поступать на электродвигатель. Но тут есть один момент. Если отпустить Пуск, то контакты разомкнуться, и ток поступать не будет по назначению.

Поэтому в магнитном пускателе есть еще один дополнительный контактный разъем, который называется контактом самоподхвата. По сути, это блокировочный элемент. Он необходим для того чтобы при отжатой кнопке «Пуск» цепь подачи электроэнергии на электродвигатель не прерывалась. То есть, разъединить ее можно было бы только кнопкой «Стоп».

Что можно дополнить к теме, как подключить трехфазный двигатель к трехфазной сети через пускатель? Обратите внимание вот на какой момент. Иногда после долгой эксплуатации схемы подключения трехфазного электродвигателя кнопка «пуск» перестает работать. Основная причина – подгорели контакты кнопки, ведь при пуске двигателя появляется пусковая нагрузка с большой силой тока. Решить эту проблему можно очень просто – почистить контакты.

Устройство и принцип работы трехфазных электродвигателей

В данной статье рассмотрены следующие вопросы:

  1. Устройство трехфазного электродвигателя.
  2. Принцип работы трехфазного электродвигателя.
  1. Устройство электродвигателя 380 В

    Наибольшее распространение в промышленности, сельском хозяйстве и быту среди трехфазных электродвигателей получили асинхронные электродвигателя с короткозамкнутым ротором благодаря их простоте устройства, надежности и дешевизне. Поэтому на примере именно такого электродвигателя мы и будем рассматривать их устройство и принцип работы.

    Асинхронный электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора.

    Статор — неподвижная часть электродвигателя. Он состоит из следующих элементов:

    • станина (корпус) которая, как правило, выполняется ребристой для лучшего охлаждения, т.к. в процессе работы сердечник статора с обмотками нагреваются. Так же станина имеет лапы для крепления электродвигателя.
    • сердечник статора — набирается из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи (токи Фуко) и имеет зубчатую форму (пазы) и имеет следующий вид:

    • обмотки статора — выполняются медными проводами которые укладываются в пазы сердечника, концы обмоток для подключения к электрической сети выводятся в клемную коробку.

    Ротор — вращающаяся часть электродвигателя. Ротор состоит из следующих элементов:

    • вал — выполняется из стали служит для передачи механической энергии на рабочий механизм.
    • сердечник ротора — насаживается на вал, так же как и сердечник статора выполняется из отдельных листов электротехнической стали
    • обмотка ротора — как правило имеет короткозамкнутое исполнение, часто короткозамкнутую обмотку ротора называют «беличьим колесом» из-за внешнего сходства. Короткозамкнутая обмотка ротора имеет следующий вид:

    Ротор удерживается в центре статора подшипниковыми щитами.

    Принцип работы трехфазного электродвигателя

    Принцип работы электродвигателя довольно прост и основан на принципе вращающегося электромагнитного поля.

    На рисунке выше представлен медный диск прикрепленный к валу на подшипнике напротив которого расположен постоянный магнит. Если начать вращать постоянный магнит то его магнитное поле пересекающее медный диск начнет так же вращаться, т.е. создастся вращающееся магнитное поле которое согласно закону электромагнитной индукции создают в медном диске токи индукции. Данные токи, протекая по диску, создают собственное электромагнитное поле, которое, в свою очередь, вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем постоянных магнитов, что приводит к вращению диска.

    Таким же образом работает и трехфазный электродвигатель, однако в нем вращающееся магнитное поле создается с помощью специального расположения обмоток статора, которые смещены в пространстве относительно друг друга на 120 о , такое расположение при протекании по ним трехфазного тока приводит к возникновению вращающегося электромагнитного поля.

    Видео воздействия вращающегося электромагнитного поля статора на металлический контур (в качестве контура в данном случае выступает обычное лезвие):

    Вращающееся магнитное поле статора воздействуя на обмотку ротора приводит к возникновению в ней индукционных токов, которые протекая через обмотку ротора создают собственное электромагнитное поле, взаимодействие этих полейприводит ротор во вращение.

    Так же как и магнит статор электродвигателя имеет полюса, однако в отличие от постоянного магнита полюсов в электродвигателе может быть больше двух, при этом их всегда четное количество. Количество полюсов в статоре напрямую влияет на скорость вращения магнитного поля и соответственно на скорость вращения ротора. Частота вращения магнитного поля (синхронная частота) определяется по формуле:

    n=60*f/p

    где: f — частота тока в станах СНГ частота тока составляет 50 Гц (Герц); p — количество пар полюсов.

    Чем больше полюсов у двигателя тем меньше частота его вращения. Например, расчитаем частоту вращения электродвигателя с четырьмя полюсами:

    Четыре полюса — это 2 пары полюсов, соответственно:

    Т.е. синхронная частота вращения магнитного поля статора 1500 об/мин, при этом частота вращения ротора при этом будет немного меньше может составлять 1400-1450 об/мин.

    Относительная величина отставания вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора называется скольжением, она выражается в процентах и определяется по формуле:

    S=(n1-n2)/n1*100%

    где: n1 — синхронная частота вращения, об/мин; n2 — частота вращения ротора (асинхронная частота вращения), об/мин.

    Видео с описанием устройства и принципа действия трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

    Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

    Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.