Принцип работы трёхфазного индукционного двигателя

Технические характеристики

При выборе конкретной модели важно определить ее соответствие месту установки, поэтому важно обращать внимание на следующие характеристики вентильных двигателей:

  • номинальное напряжение – определяет питающую величину, которая должна подаваться на вентильный двигатель для получения номинального усилия;
  • потребляемая мощность – характеристика электродвигателя, показывающая величину мощности, расходуемую на работу устройства;
  • КПД – показывает соотношение полезной работы, совершаемой вентильным двигателем к израсходованной мощности;
  • мощность на валу – полезная работа электрической машины, совершаемая за счет тягового усилия;
  • номинальная частота – определяет количество оборотов в минуту, которые вентильный двигатель может совершать в номинальном режиме работы;
  • диапазон регулировки частоты – показывает, в каких пределах можно изменять частоту оборотов вала для конкретной модели;
  • номинальный крутящий момент – определяет усилие, создаваемое на валу вентильного двигателя при оптимальных параметрах работы, также в параметрах может регламентироваться пусковой и максимальный момент;
  • коэффициент нагрузки – показывает, насколько снижается эффективность электрической машины, в зависимости от подъема над уровнем моря;
  • габаритные размеры и масса вентильного двигателя.

Ротор асинхронного двигателя

Давайте более подробно рассмотрим, из чего же состоит ротор асинхронного двигателя.

ротор асинхронного двигателя

Самая главная часть – это вал. Иначе, как бы происходило вращение?

вал асинхронного двигателя

На вал ротора с двух сторон надеваются подшипники, которые крепятся к передней и задней крышкам и центруют ротор ровно посередине статора.

подшипники на валу ротора

Далее идет сердечник, набранный из листов специальной электротехнической стали, которые изолированы друг от друга. Кстати, сетевые трансформаторы собираются из такой же стали.

сердечник ротора

электро-техническая сталь ротора двигателя

Как вы можете далее заметить, в сердечнике ротора есть специальные пазы

пазы на сердечнике ротора

В них вставляются медные или алюминиевые стержни,

стержни в роторе асинхронного двигателя

которые замыкаются на кольцо с обеих сторон, образуя так называемую “беличью клетку”.

беличья клетка асинхронного двигателя

В общем виде полностью собранный ротор асинхронного двигателя выглядит вот так.

ротор двигателя в сборе

А вот так он выглядит в реальном двигателе.

строение ротора асинхронного двигателя

Всегда помните, что в асинхронном двигателе вращается ротор, а не статор. Статор – это неподвижная часть, а ротор – подвижная часть электродвигателя. В рабочем состоянии двигателя между ротором и статором всегда имеется воздушный зазор. При работе двигателя ротор ни в коем случае не должен задевать статор двигателя.

рабочее состояние статора

Классификация электродвигателей

Примечание:

  1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
  2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
  3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
  4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
  5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

Принцип работы

Работа двигателя заключается в том, что контроллер коммутирует определённое количество обмоток статора таким образом, что вектор магнитных полей ротора и статора ортогональны. При помощи ШИМ (широтно-импульсной модуляции) контроллер совершает управление протекающим через двигатель током и регулирует момент, оказывающий воздействие на ротор. Направление этого действующего момента определяет отметка угла между векторами. При расчётах используются электрические градусы.

Мотор колесо  - что это такое?Коммутацию следует производить таким образом, чтобы Ф0 (поток возбуждения ротора) поддерживался относительно потока якоря постоянным. При взаимодействии такого возбуждения и потока якоря формируется вращающий момент М, стремящийся развернуть ротор и параллельно обеспечить совпадение возбуждения и потока якоря. Однако во время поворота ротора происходит переключение различных обмоток под воздействием датчика положения ротора, в результате чего поток якоря разворачивается по направлению к следующему шагу.

В такой ситуации результирующий вектор сдвигается и становится неподвижным по отношению к потоку ротора, что, в свою очередь, создаёт необходимый момент на валу электродвигателя.

Виды электродвигателей: какой лучше

Описаны только основные виды электродвигателей и даны краткие характеристики, очень сжато описано устройство и принцип работы. Тем не менее, уже можно сделать выводы о том, что идеального решения, причём для всех случаев, просто нет. Есть наиболее подходящее для каждого конкретного случая.

  • Асинхронный электродвигатель без частотного регулирования – лучший выбор для насосов.
  • Коллекторный двигатель с его регулируемыми скоростями вне конкуренции для дрелей и пылесосов. И то, в последнее время стали делать с вентильными, они без щеток, что делает работу тише, срок службы дольше, хотя цену выше. Так что, тут, как посмотреть.
    Выбирать вид электродвигателя надо под каждый конкретный случай

    Выбирать вид электродвигателя надо под каждый конкретный случай

  • Для вентиляторов с длительным режимом работы выбирать приходится между асинхронных и вентильных. Но только если они не слишком мощные. Для мощных важным является возможность разделения на секции, а это проще реализовать у вентильных. И даже на кулерах стали в последнее время использовать вентильные с магнитным ротором.

В общем, чтобы ответить какой лучше, надо рассматривать совокупность условий и характеристик работы. Принимать во внимание достоинства и недостатки, перебирать все виды электродвигателей и только так можно найти оптимальный.

Трехфазный двигатель

В трехфазной индукционной машине обмотка предназначена для образования вращающегося по кругу магнитного поля, которое проходит через короткозамкнутую обмотку ротора. Созданные с фазным управлением аппараты не применяются в цепях постоянного тока. При прохождении поля через проводники обмотки статора образуется электродвижущая сила, которая и вызывает прохождение переменного тока в обмотке, управляющей ротором, имеющим собственное магнитное поле. Данное магнитное поле при взаимодействии с фазным магнитным вращающимся полем статора вызывает вращение определенной частоты вслед за полями между ним и ротором.

Схема

Схема работы индукционного трехфазного агрегата

Данный принцип разработал академик из Франции Араго. Иными словами, если подковообразный магнит установить вблизи металлического диска свободно закрепленным на оси и вращать его с поддержанием определенной  частоты оборотов, то металлический диск без дополнительного управления начнет движение за магнитом, однако скорость его вращения будет меньше, чем скорость движения магнита.

Данное явление обусловлено правилами электромагнитной индукции. Во время вращения около поверхности металлического диска полюсов магнита в контурах под полюсом образуется электродвижущая сила соответствующей частоты, и возникают токи, создающие магнитное поле металлического диска. Магнитное поле диска начинает взаимодействовать с полем полюсов вращающегося магнита, в результате чего диск «увлекается» своим магнитным полем.

Так и в асинхронном агрегате, в качестве металлического диска выступает короткозамкнутая обмотка ротора, а в качестве магнита – магнитопровод и обмотка статора.

Чтобы облегчить управление и запуск трехфазного электродвигателя при подключении к однофазной сети (переменного, а не постоянного тока), на момент пуска дополнительно устанавливается параллельно с рабочим и пусковой конденсатор. Им компенсируют отсутствие фазы и соответствующей частоты поля.

Запуск двигателя

Запуск трехфазного двигателя

Схема подключения

Как было сказано выше, для работы бесколлекторного двигателя нужен специальный контроллер. На алиэкспресс можно найти как комплекты из двигателя и контроллера, так и по отдельности. Контроллер также называют ESC Motor или Electric Speed Controller. Выбирают их по силе тока, отдаваемого в нагрузку.

Обычно подключение электродвигателя к контроллеру не вызывает затруднений и понятно даже для чайников. Главное, что нужно знать — для смены направления вращения нужно изменить подключение любых двух фаз, собственно также, как и в трёхфазных асинхронных или синхронных электродвигателях.

Схема подключения к контроллеру и реверс БК-мотора

В сети есть и ряд технических решений и схем как сложных, так и для чайников, которые вы можете увидеть ниже.

В этом видеоролике автор рассказывает, как подружить БК моторчик с «ардуиной».

А в этом ролике вы узнаете о различных способах подключения к разным регуляторам и как его можно сделать своими руками. Автор демонстрирует это на примере моторчика от HDD, и пары мощных экземпляров — inrunner и outrunner.

Кстати схему из видео для повторения также прикладываем:

Схема контроллера для BLDC

Применение

Вентильные двигатели применяются во всех сферах, где требуется регулировать скорость вращения рабочего элемента. Такие синхронные приводы имеют точное позиционирование и применяются для компьютерной техники, устройств привода, винчестера, куллеров обдува и т.д.

Вентильный двигатель в компьютереРис. 8. Вентильный двигатель в компьютере

Помимо этого он используется в робототехнике, строительстве спутников, летательных аппаратов. Для бытовой техники, в устройствах автомобилестроения, в медицинской сфере.  Также нашел широкое применение в станочном оборудовании, горнодобывающих машинах, используется в компрессорных установках и насосных станциях.

Однофазный электродвигатель с пуском через сопротивление/работа через обмотку (индуктивность) (RSIR)

Данный тип двигателей ещё известен как «электродвигатели с расщеплённой фазой». Они, как правило, дешевле однофазных электродвигателей других типов, используемых в промышленности, но у них также есть некоторые ограничения по производительности.

Пусковое устройство электродвигателей RSIR включает в себя две отдельные обмотки статора. Одна из них используется исключительно для пуска, диаметр проволоки данной обмотки меньше, а электрическое сопротивление — выше, чем у главных обмоток. Это вызывает отставание вращающегося поля, что, в свою очередь, приводит в движение двигатель. Центробежный или электронный пускатель отсоединяет пусковую обмотку, когда частота вращения двигателя достигает, приблизительно, 75% от номинальной величины. После этого электродвигатель продолжит работу в соответствии со стандартными принципами действия индукционного электродвигателя.

схема однофазного электродвигателя с пуском через сопротивление/работа через обмотку (индуктивность) (RSIR)

Как уже говорилось раньше, для электродвигателей RSIR есть некоторые ограничения. У них низкие пусковые моменты, часто в диапазоне от 50 до 150 процентов от номинальной нагрузки. Кроме того, электродвигатель создаёт высокие пусковые токи, приблизительно от 700 до 1000% от номинального тока. В результате продолжительное время пуска будет вызывать перегрев и разрушение пусковой обмотки. Это означает, что электродвигатели данного типа нельзя использовать там, где необходимы большие пусковые моменты.

Электродвигатели RSIR рассчитаны на узкий диапазон напряжения питания, что, естественно, ограничивает области их применения. Их максимальные вращающие моменты варьируются в пределах от 100 до 250% от расчетной величины. Необходимо также отметить, что дополнительной трудностью является установка тепловой защиты, так как довольно сложно найти защитное устройство, которое срабатывало бы достаточно быстро, чтобы не допустить прогорания пусковой обмотки. Электродвигатели RSIR подходят для использования в небольших приборах для рубки и перемалывания, вентиляторах, а также для применения в других областях, в которых допускается низкий пусковой момент и требуемая выходная мощность на валу от 0,06 кВт до 0,25 кВт. Они не используются там, где должны быть высокие вращающие моменты или продолжительные циклы.

характеристика пусковой момент/частота вращения однофазного электродвигателя

Способы подключения асинхронного двигателя

Как мы уже с вами узнали, асинхронный двигатель имеет три обмотки. На современный манер они обозначаются английскими буквами U,V,W. Начало каждой обмотки обозначается цифрой “1”, а конец обмотки цифрой “2”.

обмотки U V W

Поэтому, есть два способа соединения обмоток: звездой и треугольником.

Способ соединения “звезда”

Способ «звезда» подразумевает соединение одинаковых выводов обмоток (начала или концы обмоток) в одну (нулевую) точку.

схема соединения звезда

В клеммной коробке двигателя это соединение будет иметь такой вид.

соединение звезда в клеммной коробке

Как вы видите, в этом случае с помощью железных пластин мы закоротили концы обмоток в одну общую точку.

Соединение таким способом практикуется, в основном, на двигателях промышленного назначения. Часто завод-изготовитель, для таких двигателей, которые не будут реализовываться через розничную сеть, производит соединение «звездой» уже внутри статора. На корпус двигателя выводится не 6 клемм, а 3. В этом случае достаточно просто подать трехфазное напряжение. Поэтому, помните: если вы увидите, что у асинхронного двигателя только 3 провода, это значит, что его обмотки уже соединены по типу “звезда”.

Способ соединения “треугольник”

Соединение «треугольник» выполняется по схеме: конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец второй – с началом третьей, а конец третьей – с началом первой. В места соединения подается питающее трехфазное напряжение.

схема соединения треугольник

В двигателе это будет выглядеть вот таким образом.

схема треугольник в клеммной коробке

тип соединения звезда

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

  • Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов

    Сравнение механических характеристик электродвигателей разных типов при ограниченном токе статора

  • Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов

    Зависимость мощности от скорости вращения вала для двигателей разных типов при ограниченном токе статора

Примечание:

Оранжевый цвет — низкий показатель, желтый цвет — средний показатель, светло-желтый цвет — высокий показатель.

В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7].

Заключение

Бесколлекторный электродвигатель постоянного тока имеет массу преимуществ и станет достойным выбором для использования как специалистом, так и простым обывателем.

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6].

  • Электродвигатели используются повсеместно, основные области применения:
  • промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, движущая сила для других машин и др.
  • строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха и др.
  • потребительские устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машинки, миксеры и др.
ЭД1 Функции Области применения
Вращающиеся электродвигатели Насосы Системы водоснабжения и водоотведения
Системы перекачки охлажденной или нагретой воды, системы отопления, ОВК2, системы полива
Системы канализации
Перекачка нефтепродуктов
Вентиляторы Приточно-вытяжная вентиляция, ОВК2, вентиляторы
Компрессоры Системы вентиляции, холодильные и морозильные установки, ОВК2
Накопление и распределение сжатого воздуха, пневматические системы
Системы сжижения газа, системы перекачки природного газа
Вращение, смешивание, движение Прокатный стан, станки: обработка металла, камня, пластика
Прессовое оборудование: обработка алюминия, пластиков
Обработка текстиля: ткачество, стирка, сушка
Смешивание, взбалтывание: еда, краски, пластики
Транспорт Пассажирские лифты, эскалаторы, конвейеры
Грузовые лифты, подъемные краны, подъемники, конвейеры, лебедки
Транспортные средства: поезда, трамваи, троллейбусы, автомобили, электромобили, автобусы, мотоциклы, велосипеды, зубчатая железная дорога, канатная дорога
Угловые перемещения
(шаговые двигатели, серводвигатели)
Вентили (открыть/закрыть)
Серво (установка положения)
Линейные электродвигатели Открыть/закрыть Вентили
Сортировка Производство
Хватать и перемещать Роботы

Примечание:

  1. ЭД — электродвигатель
  2. ОВК — системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха

Производители электродвигателей

  • Российские производители электродвигателей
  • Производители электродвигателей ближнего зарубежья
  • Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Российские производители электродвигателей

Регион Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Краснодарский край Армавирский электротехнический завод
Свердловская область Баранчинский электромеханический завод
Владимир Владимирский электромоторный завод
Санкт-Петербург ВНИТИ ЭМ
Москва ЗВИ
Московский электромеханический завод имени Владимира Ильича
Пермь ИОЛЛА
Республика Марий Эл Красногорский завод «Электродвигатель»
Воронеж МЭЛ
Новочеркасск Новочеркасский электровозостроительный завод
Санкт-Петербург НПО «Электрические машины»
Томская область НПО Сибэлектромотор
Новосибирск НПО Элсиб
Удмуртская республика Сарапульский электрогенераторный завод
Киров Электромашиностроительный завод Лепсе
Санкт-Петербург Ленинградский электромашиностроительный завод
Псков Псковский электромашиностроительный завод
Ярославль Ярославский электромашиностроительный завод

Производители электродвигателей ближнего зарубежья

Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Страна Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Швейцария ABB Limited
США Allied Motion Technologies Inc.
США Ametek Inc.
США Anaheim automation
США Arc System Inc.
Германия Baumueller
Словения Domel
США Emerson Electric Corporation
США General Electric
США Johnson Electric Holdings Limited
Германия Liebherr
Швейцария Maxon motor
Япония Nidec Corporation
Германия Nord
США Regal Beloit Corporation
Германия Rexroth Bosch Group
Германия Siemens AG
Бразилия WEG

Библиографический список

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения. И.В.Савельев. Курс общей физики, том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика.-М.:Наука, 1970. ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83) Стандартные напряжения. ГОСТ 16264.0-85 Электродвигатели малой мощности А.И.Вольдек, В.В.Попов. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов.- СПб.: Питер, 2007. Paul Waide, Conrad U. Brunner. Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems. International Energy Agency Working Paper, Energy Efficiency Series.: Paris, 2011. Dr. J. Merwerth. The hybrid-synchronous machine of the new BMW i3 & i8 challenges with electric traction drives for vehicles. BMW Group, Workshop University Lund: Lund, 2014.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом