Когда на ротор воздействует внешнее изменяющееся магнитное поле статора, в роторе наводятся кольцевые токи, которые, в свою очередь, создают магнитное поле. Это поле, усиленное сердечником, направлено так, что ротор начинает вращаться вслед за бегущим магнитным полем статора.
Вращение направлено в направлении «догнать» убегающую волну. Ротор разгоняется, но, по мере того, как он будет догонять волну статора, наводки в нем будут все меньше и меньше.
Он начнет «приотставать» (от силы трения или от силы сопротивления механической нагрузки на вал ротора), но усиливающаяся от этого в нем индукция снова толкает ротор к вращению.
Такой принцип порождает некоторое рассогласование частот: частота напряжения, которая является причиной движения ротора, не изменяется во времени - стабильно 50 герц, а частота вращения то догоняет, то отстает. Такие несоответствия могут быть незаметны там, где частота не очень важна, но из-за них двигатель и называется асинхронным.
Все мы это прекрасно видели и слышали, когда включали вентилятор. Он сначала набирает скорость, хорошо «берется за дело». Только потом как-то слегка «проваливается» - крутится по инерции, но опять «спохватывается» и «поддает газу».
Идеальный случай вращения в таком двигателе - это когда совсем нет трения и сопротивления, это холостой ход такого мотора. Тогда скорость определяется формулой вращения самого бегущего поля от статора
nr = 60 50/1 = 3000 (об./мин) или 50 об./с.
То есть скорость вращения равна частоте напряжения в сети. Увеличением количества обмоток в статоре можно добиться снижения скорости вращения
Во многих случаях точная частота вращения двигателя действительно не так важна, поэтому электродвигатели асинхронные трехфазные находят широкое применение.
Трехфазные электродвигатели имеют и другой недостаток: циклические токи ротора вызывают его непрерывный разогрев, поэтому и делают кольцевые металлические пластины с ребрами для охлаждения воздухом при вращении.
8. Схемы и способы подключения
Так как есть несколько обмоток внутри двигателя - обмотки статора, - и сеть переменного тока бывает однофазной, а бывает трехфазной, то и схема включения всего этого хозяйства допускает вариации.
Обмоток на статоре обычно три. Ну а если их больше, то все равно обмотки каждой фазы внутри уже соединены последовательно. То есть в качестве выходных клемм максимум может быть 6. И их подсоединить к сети можно по-разному.
Систем обозначений клемм две. На старых обозначались буквами С и цифрами 1,2,3 - начала обмоток; цифрами 4,5,6 - концы обмоток.
В новых обозначениях для разных обмоток употребляются буквы U, V, W, а для начал и концов цифры 1 и 2 соответственно.
Клеммы обмоток могут быть на двигателе выведены наружу, и можно самостоятельно подключить трехфазный двигатель к сети переменного тока
8.1 Как подключить двигатель по схеме «звезда»
При соединении обмоток по типу «звезда» концы обмоток нужно объединить, а на клеммы начала обмоток подать напряжения фаз из сети.
Подключение трехфазного электродвигателя по схеме «Звезда»
Здесь использованы обозначения клемм электродвигателей трехфазных, применяемые на схемах, старые и новые
При подключении типа «звезда» нулевой провод из сети желательно подавать на общую клемму двигателя. Это защитит его от порчи в случае перекоса фаз в сети.
8.2 Как подключить электромотор по схеме «треугольник»
Подключить трехфазный двигатель обмотками в «треугольник» в сеть переменного тока не сложнее. Надо начало одной обмотки соединять с концом следующей. И еще все начала подключить к фазным проводам переменного тока.
Подключение асинхронного двигателя по схеме «треугольник».
Клеммник для подключения асинхронного электродвигателя по типу «Звезда».
Два эти подключения - «звезда» и «треугольник» - в сети дают разные результаты по токам и мощностям.
В «звезде» на каждую обмотку подано фазное напряжение 220 В, а две обмотки вместе нагружены линейным напряжением в 380 В. Протекающие в обмотках токи при этом меньше, чем при конфигурации «треугольник». Отсюда и работа отличается: «звезда» дает мягкий запуск, но при работе развивает меньшую мощность, чем «треугольник».
Совет.
Зато «треугольник» при запуске дает большие стартовые токи, превышающие номинал раз в 7-8.
Чтобы сочетать преимущества обеих конфигураций, коммутацию делает особая схема. Она при запуске двигателя коммутирована как «звезда», а при достижении определенной мощности переключается в вариант «треугольник».
В этом случае (и в других случаях с постоянными подключениями обмоток), на входном клеммнике оставляют только 3 или 4 клеммы, и вариантов по переключению обмоток по своему усмотрению не остается.
В этом случае просто подключаются фазы в нужном порядке.
Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть.
Трехфазное напряжение нашей сети можно представить как одну и ту же фазу, только повторенную еще два раза со сдвигом, сначала на 120°, потом плюс еще настолько же, то есть в результате на 240°. И такое напряжение вполне схематически посильно «добыть» из одной выделенной фазы.
Однако когда мы запускаем «бегущее поле» статора, совсем не обязательно делать его именно с таким сдвигом между поданными на обмотки фазами. Потому что увеличение количества полюсов в обмотках проявляется как уменьшение скорости вращения, но механизм работает.
Поэтому разработаны простые схемы получения сдвинутых фаз из однофазной линии не под таким углом, а под 90°. Это можно сделать простой схемой, дающей подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть с применением одного конденсатора. Результатом является снижение мощности двигателя.
При маркировке двигателей, которые можно использовать в однофазной сети 220 В и в сети 380 В трехфазной, так и пишется - двигатель 220/380, а который предназначен для работы только в трехфазной - двигатель 380.
Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть 220 В типа «Треугольник» и «Звезда».
Схема подключения «звезда» в этом случае дает потерю мощности, поэтому для более полного использования двигателя при подключении к однофазному напряжению чаще применяют «треугольник» (Источник: https://domelectrik.ru/oborudovanie/dvigatel/trekhfaznaya-asinhronnaya-mashina).
9. Трехфазные электродвигатели
Электродвигателем называется устройство, преобразующее электрическую энергию, получаемую из сети распределения, в механическую энергию вращения.
Любой электродвигатель состоит из корпуса, защищающего устройство от пыли и влаги, неподвижной части (статора), жёстко скреплённой с корпусом, имеющей неподвижные обмотки и магнитопроводы, и вращающейся части, называемой ротором.
Ротор жёстко насажен на вал, который вращается в двух подшипниковых узлах (переднем и заднем), конец вала выведен наружу и имеет шпоночную канавку для закрепления шкивов или шестерён привода.
Обратите внимание.
Подшипниковые узлы находятся в двух съёмных крышках, которые закрывают корпус с торцов и стягиваются между собой длинными шпильками (как правило, тремя-четырьмя). На заднем конце вала закрепляется крыльчатка вентилятора, который служит для обдува и охлаждения обмоток.
Вентилятор прикрывается крышкой с отверстиями для выхода воздуха. Снаружи на корпусе закрепляется коммутационная коробка, внутри которой находятся клеммы подключения.
Коробка герметично (через резиновую прокладку) закрывается крышкой для защиты клемм подключения от влаги и пыли.
Конструкция электродвигателя весьма удобна для обслуживания и ремонта - двигатель легко разбирается, обеспечивая доступ к любой части, и собирается.
9.1 Принцип работы трёхфазного двигателя
Одним из главных преимуществ трёхфазной системы электроснабжения является то, что из-за сдвига фаз синусоид тока и напряжения сети на 120 градусов, такая система способна создавать «вращающееся» электромагнитное поле.
Если мы на неподвижном статоре расположим три обмотки с магнитомягким (это материал, который легко, то есть с минимальными потерями, перемагничивается) сердечником и подадим напряжение на обмотки последовательно от трёх фаз, то ток обмоток начнёт намагничивать сердечники, создавая как бы бегущее по окружности магнитное поле. Это поле в каждом сердечнике синусоидально пульсирует, а во всех трёх создаёт эффект вращения.
Можно подсчитать и угловую скорость вращения магнитного поля при трёх обмотках, расположенных по окружности через 120 градусов, она равна частоте переменного тока - 50 герц, или 50 оборотов в секунду.
Чтобы привести к привычным для нас оборотам в минуту, которыми измеряют скорость вращения вала электродвигателя, нужно 50 оборотов в секунду умножить на 60 (число секунд в минуте), получим 3 000 оборотов в минуту (об/мин).
Отметим, что скорость вращения магнитного поля в статоре можно легко понизить чисто конструктивными методами, например, расположить по окружности не три, а шесть обмоток (сделать шесть магнитных полюсов), расположив их по окружности через 60 градусов, причём 1 и 4 обмотки подключить к одной фазе, 2 и 5 - к другой, а 3-ю и 6-ю - к третьей. Тогда скорость вращения магнитного поля понизится вдвое и составит 1500 об/мин. Аналогично увеличив число магнитных полюсов до 12 и расположив их через 30 градусов по окружности, мы понизим скорость вращения магнитного поля ещё раз вдвое - до 750 об/мин.
Запомним, что электродвигатели переменного тока работают со скоростью, связанной с частотой сети. И для каждой частоты имеется свой ряд скоростей, и величины членов ряда кратны между собой одному числу, например - двойке. (Оговоримся, что могут быть и другие числа кратности, например - 3).
9.2 Синхронные электродвигатели
Теперь, если мы в качестве ротора закрепим на валу двигателя постоянный магнит с двумя полюсами, то в бегущем магнитном поле вал начнёт вращаться со скоростью поля. Такие двигатели называют синхронными.
Иногда применяются двигатели с постоянным магнитом в роли ротора, как правило, это маломощные моторчики, к примеру, так выполнен двигатель центробежного насоса слива стиральной машины.
Но для мощных моторов трудно изготовить мощный постоянный магнит, гораздо проще применить электромагнит.
Важно.
В этом случае ротор представляет собой, набранный из пластин магнитомягкой стали, сердечник специальной формы, на который намотана обмотка.
Ток на обмотку ротора подаётся из сети через устройство, называемое коллектор. Коллектор - это медные, изолированные друг от друга, два или три (для трёхфазной обмотки) кольца на валу, которых касаются угольные подпружиненные щётки.
Кольца соединены с началом и концом обмотки. Напряжение из сети подаётся к щёткам, и через контактные кольца поступает на обмотку ротора.
Такой электродвигатель называется синхронный, потому что имеет число оборотов равное числу оборотов вращающегося магнитного поля статора.
(Синхронный электродвигатель переменного тока для двухфазной и многофазной сети был запатентован Н. Тесла - американским учёным, изобретателем.)
Однако коллекторы электродвигателей имеют ряд недостатков, угольные щётки при работе искрят (что особо неприятно во взрывоопасной среде), подгорают, из-за чего пропадает контакт (кольца приходится периодически зачищать от нагара). Щётки истираются и требуют замены. Иногда щётки зависают на пружинах и контакт пропадает.
9.3 Асинхронные электродвигатели
Изобретательская мысль продолжала работать, и наш соотечественник М.О. Доливо - Добровольский придумал, как можно избавиться от коллектора, он предложил обмотку ротора выполнить в виде короткозамкнутых витков, ток в которых будет возбуждаться переменным магнитным полем статора.
Конструктивно решение обмотки ротора представляло собой два кольца, соединённых между собой поперечными проводниками, наподобие «беличьего колеса» - известная «игрушка» для зверька, в которой белка может бесконечно бегать. Такой двигатель назвали - двигатель с короткозамкнутым ротором.
Работает он так - в момент пуска переменное магнитное поле статора возбуждает в проводниках «беличьего колеса» сильный ток, который намагничивает сердечник ротора и последний притягивается магнитами статора и начинает вращаться.
Совет.
Поскольку для появления тока в замкнутых витках ротора необходимо, чтобы магнитное поле менялось, (при синхронном вращении ротора бегущее магнитное поле статора, воздействующее на ротор, на роторе не меняется), ротор будет вращаться с несколько меньшей скоростью, чем вращается магнитное поле статора.
Вследствие этого «запаздывания» такой двигатель назвали асинхронный. А разницу во вращении ротора относительно магнитного поля статора назвали скольжением.