Однофазный асинхронный двигатель: 6 схем работы

Подключение однофазного синхронного электродвигателя

Несмотря на сложность конструкции синхронных двигателей, они имеют много преимуществ перед асинхронными. Главное – это низкая чувствительность к скачкам напряжения, ведущих к резкому уменьшению или увеличению силы тока. Не менее значим и тот факт, что синхронные моторы могут работать даже с перегрузкой, не говоря уже об оптимальном режиме реактивной энергии и вращении вала с постоянной скоростью. Однако подключение – трудоемкий процесс, и это уже недостаток.

Метод разгона

Нельзя пустить в ход однофазный синхронный двигатель, просто подав питание на его обмотки. Потому что в момент включения направление питающего тока в статорных намотках соответствует рисунку (а). В это время на ротор, который еще находится в состоянии покоя, действует пара сил, которая будет пытаться крутить вал по часовой стрелке. Но через половину периода в статорных намотках ток поменяет свое направление. Поэтому пара сил будет уже действовать в обратном направлении, поворачивая вал против часов стрелки, как на рисунке (б). Поскольку ротор обладает большой инертностью, он так и не сдвинется с места.

Чтобы заставить ротор вращаться, необходимо, чтобы он успевал сделать хотя бы половину оборота, чтобы изменение направления тока не повиляло на его вращение. Это возможно, если разогнать вал при помощи посторонних сил. Это можно сделать двумя путями:

Вручную;
С использованием второго двигателя.

Собственной силой рук можно разогнать только маломощные синхронные электродвигатели. А для средне- и высокомощных агрегатов придется использовать другой мотор.

При разгоне с посторонней силой ротор начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной. Потом только включается обмотка возбуждения, и затем – статорная намотка.

Асинхронный пуск синхронного мотора

Если в наконечниках на полюсах ротора уложены стержни из металла, и они соединены между собой по бокам кольцами, то мотор должен запускаться асинхронным методом. Эти стержни играют роль вспомогательной обмотки, которая есть у асинхронного двигателя. При этом намотку возбуждения закорачивают с помощью разрядного резистора, а статорную обмотку подключают к сети. Только так можно обеспечить такой же разгон, как и у асинхронного электродвигателя. Но после того, как скорость вращения максимально приблизится к синхронной (достаточно 95% от нее), намотку возбуждения соединяют с источником постоянного тока. Скорость становится полностью синхронной, что влечет за собой снижение ЭДС индукции вспомогательной обмотки вплоть до нуля. И она отключается автоматически.

Схема и способ подключения вашего двигателя будет зависеть от того, какой он у вас: синхронный или асинхронный. В учет идет также мощность мотора, а также способ пуска: с нагрузкой или без. Разобраться в рисунках вам поможет элементарное понимание механики и электромагнитных явлений.

Как подключить электромотор к трехфазной сети 380в.

В первую очередь смотрим на «шильдик» и определяем, на какие напряжения рассчитан двигатель. На рисунках мы видим, что каждому типу соединения соответствует свое. Конечно же, нельзя подавать 380в, если, к примеру, при соединении «треугольник» на табличке написано 220в. Наоборот можно, но электродвигатель не разовьет и половины номинальной силы.

Определившись с вольтажом, подключаем провода «А», «В» и «С» по порядку к началам обмоток «U1», «V1» и «W1». Или, если мотор советского производства – «С1», «С2» и «С3».

Итак, электросхема готова, производим кратковременное включение. Это требуется для того, чтобы определить работоспособность собранной цепи и направления вращения двигателя. Проверили, двигатель крутится, но не в ту сторону. Ничего страшного, меняем между собой первую и вторую фазу. И еще раз проверяем.

Установка и подключение преобразователя частоты

Теперь расскажу и покажу пошагово, как я смонтировал частотник.

Для начала приготовил переднюю панель.

Панель управления частотником, кнопки, вольтметр

Панель изготовил из текстолита. На панели будут закреплены кнопки с НО и НЗ контактами (без фиксации), и вольтметр в качестве тахометра.

Панель с обратной стороны – кнопки зафиксированы, осталось поставить контакты и закрепить вольтметр

Если говорить просто, вся переделка заключалась в том, что я выкинул контактор и поставил преобразователь частоты Delta, на 1,5 кВт:

Частотник Delta мощностью 1,5 кВт вместо контактора

Честно говоря, 1,5 кВт – многовато, то есть, ПЧ я выбрал с большим запасом (почти в 2 раза). Меньше мощность найти не удалось. Тем лучше с электрической точки зрения – запас карман не тянет.

Фото установки преобразователя частоты:

Частотник установлен в станок на боковую дверцу, вместо контактора

Знаю, что монтаж выполнен не идеально, хорошо бы использовать наконечники и бандажи на провода, но давайте не будем об этом…

ПЧ Дельта, через него подключен двигатель полировки

Ноль в питании станка и частотника не используется, приходит только 3 фазы и земля (PEN проводник).

Питание ПЧ – 3 фазы и земля на входные клеммы R, S, T

Не берите с меня пример – от РУ защитный проводник должен приходить на РЕ шину, и с каждой отдельной клеммы – отдельно на клемму ПЧ, на корпус, и ещё куда надо.

Подключение ПЧ Delta. Клеммы управления и выходные силовые клеммы на двигатель U, V, W

Соединение ротора с реостатом во время включения

Метод подходит для включения в работы моторов с фазным ротором. Если роторная цепь включает в себя реостат, то активное сопротивление повышается. При этом точка К на рисунке а ниже перемещается ближе к О и обозначается К`. Это не приводит к уменьшению М_макс, зато обеспечивает повышение М_пуск. Вместе с этим критическое скольжение увеличивается, и зависимость момента от s смещается к зоне больших скольжений. Число же оборотов смещается в зону меньших вращательных частот (рисунки б и в).

Обычно реостат, используемый для пуска мотора, имеет от 3 до 6 ступеней (смотрите рисунок а ниже). Пусковое сопротивление плавно уменьшается, что обеспечивается большой М_пуск. Изначально мотор приводится в ход по четвертой характеристике, проиллюстрированной на рисунке б. Она соответствует сопротивлению запускающего реостата и обеспечивает максимальную пусковую мощность.

Вращающий момент (М_вр) уменьшается с ростом оборотов. При некотором минимальном значении необходимо отключить часть реостата, чтобы М_вр возрос снова до максимального (смотрите третью характеристику). Но обороты растут, поэтому М_вр снова уменьшается. Тогда отключается еще одна часть реостата, и начинается работа по второй характеристике. Когда реостат двигателя с фазным ротором отключают вовсе, пусковой процесс завершается. Мотор продолжает работу по характеристике 1.

Запуск в ход таким методом характеризуется изменением М_вр от максимального до минимального значения. Сопротивление в данном случае уменьшается ступенчато по ломаной кривой линии (выделена жирным на графике). Выключение частей реостата осуществляется автоматически или вручную.

Преимущество запуска электродвигателя с фазным ротором с использованием реостата заключается в возможности включать его при М_пуск, близком к М_макс. Пусковые токи при этом минимальны. Изменение силы тока проиллюстрировано на рисунке в.

Недостатков хватает. Во-первых, это сложность включения. Во-вторых, это необходимость использования совсем не дешевых моторов с фазным ротором. Характер работы хуже, чем у аналогов с короткозамкнутым ротором при мощности одинакового значения – это третий минус. Это объясняет, почему электродвигатели с фазным ротором используют преимущественно в случае возникновения сложностей с запуском других двигателей.

Измерение параметров трехфазного асинхронного двигателя при условиях,

отличных от номинальных

Понижение напряжения при номинальной частоте приводит к уменьшению тока холостого хода и магнитного потока, а значит, и к уменьшению потерь в стали. Величина тока статора, как правило, повышается,

коэффициент мощности увеличивается, скольжение возрастает, а КПД несколько падает. Вращающий момент двигателя уменьшается, так как он пропорционален квадрату напряжения.

При повышении напряжения сверх номинального и номинальной частоте двигатель перегревается из-за увеличения потерь в стали. Вращающий момент двигателя растет, величина скольжения уменьшается. Ток холостого хода увеличивается, а коэффициент мощности ухудшается. Ток статора при полной нагрузке может уменьшиться, а при малой нагрузке может увеличиться вследствие увеличения тока холостого хода.

При уменьшении частоты и номинальном напряжении увеличивается ток холостого хода, что приводит к ухудшению коэффициента мощности. Ток статора обычно возрастает. Увеличиваются потери в меди и стали статора, охлаждение двигателя несколько ухудшается вследствие уменьшения частоты вращения.

При повышении частоты сети и номинальном напряжении уменьшается ток холостого хода и вращающий момент.

Изменение скорости АД с короткозамкнутым ротором

Существует несколько способов:

Управление вращением за счет изменения электромагнитного поля статора: частотное регулирование и изменение числа пар полюсов.

Изменение скольжения электромотора за счет уменьшения или увеличения напряжения (может применяться для АД с фазным ротором).

Частотное регулирование

В данном случае регулировка производится с помощью подключенного к двигателю устройства для преобразования частоты. Для этого применяются мощные тиристорные преобразователи. Процесс частотного регулирования можно рассмотреть на примере формулы ЭДС трансформатора:

Данное выражение означает, что для сохранения постоянного магнитного потока, означающего сохранение перегрузочной способности электромотора, следует одновременно с преобразованием частоты корректировать и уровень питающего напряжения. Если сохраняется выражение, вычисленное по формуле:

то это означает, что критический момент не изменен. А механические характеристики соответствуют рисунку ниже, если вы не понимаете, что значат эти характеристики, то в этом случае регулировка происходит без потери мощности и момента.

Достоинствами данного метода являются:

плавное регулирование;
изменение скорости вращения ротора в большую и меньшую сторону;
жесткие механические характеристики;
экономичность.

Недостаток один — необходимость в частотном преобразователе, т.е. увеличение стоимости механизма. К слову, на современном рынке представлены модели с однофазным и трёхфазным входом, стоимость которых при мощности 2-3 кВт лежит в диапазоне 100-150 долларов, что не слишком дорого для полноценной регулировки привода станков в частной мастерской.

Переключение числа пар полюсов

Данный метод применяется для многоскоростных двигателей со сложной обмоткой, позволяющей изменять число пар ее полюсов. Самое широкое применение получили двухскоростные, трехскоростные и четырехскоростные АД. Принцип регулировки проще всего рассмотреть на основе двухскоростного АД. В такой машине обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Скорость вращения изменяется при подключении их последовательно или параллельно.

В четырехскоростном электродвигателе обмотка выполнена в виде двух независимых друг от друга частей. При изменении числа пар полюсов первой обмотки производится изменение скорости работы электромотора с 3000 до 1500 оборотов в минуту. При помощи второй обмотки производится регулировка вращения 1000 и 500 оборотов в минуту.

При изменении числа пар полюсов происходит и изменение критического момента. Для его сохранения неизменным, требуется одновременно с изменением числа пар полюсов регулировать и питающее напряжение, например, переключением схемы звезда-треугольник и их вариациями.

Достоинства данного метода:

жесткие механические характеристики двигателя;
высокий КПД.

ступенчатая регулировка;
большой вес и габаритные размеры;
высокая стоимость электромотора.

Виды и критерии выбора

Для выбора регулятора нужно руководствоваться определенными характеристиками для конкретного случая. Среди всех критериев можно выбрать следующие:

По типу управления. Для двигателей коллекторного типа применяются регуляторы с векторной или скалярной системой управления.
Мощность является основным параметром, от которого нужно отталкиваться.
По диапазону U.
По диапазону частот. Нужно выбирать модель, которая соответствует требованиям пользователя для конкретного случая.
Прочие характеристики, в которые включены гарантия, габариты, комплектация.

Устройство на тиристорах

В этой модели, представленной на схеме 1, применяются 2 тиристора, включенных встречно-параллельно, хотя их можно заменить одним симистором.

Схема 1 — Тиристорная регулировка оборотов коллекторного двигателя без потери мощности.

Эта схема производит регулирование с помощью открытия или закрытия тиристоров (симистора) при фазовом переходе через нейтраль. Для корректного управления коллекторным двигателем применяют следующие способы модификации схемы 1:

Установка защитных LRC-цепей, состоящих из конденсаторов, резисторов и дросселей.
Добавление на входе емкости.
Использование тиристоров или симистора, ток которых превышает номинальное значение силы тока двигателя в диапазоне от 3..8 раз.

Этот тип регуляторов имеет достоинства и недостатки. К первым относятся низкая стоимость, маленький вес и габариты. Ко вторым следует отнести следующие:

применение для моторов небольшой мощности;
происходит шум и рывки мотора;
при использовании схемы на симисторах происходит попадание постоянного U на двигатель.

Этот тип регулятора ставится в вентиляторы, кондиционеры, стиральные машины и электродрели . Отлично выполняет свои функции, несмотря на недостатки.

Транзисторный тип

Еще одним названием регулятора транзисторного типа является автотрансформатор или ШИМ-регулятор (схема 2). Он изменяет номинал U по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при помощи выходного каскада, в котором применяются транзисторы типа IGBT.

Схема 2 — Транзисторный ШИМ-регулятор оборотов.

Коммутация транзисторов происходит с высокой частотой и благодаря этому можно изменить ширину импульсов. Следовательно, при этом изменится и значение U. Чем длиннее импульс и короче паузы, тем выше значение U и наоборот. Положительные аспекты применения этой разновидности следующие:

Незначительный вес прибора при низких габаритах.
Довольно низкая стоимость.
При низких оборотах отсутствие шума.
Управление за счет низких значений U (0..12 В).

Основной недостаток применения заключается в том, что расстояние до электромотора должно быть не более 4 метров.

Регулирование за счет частоты

Регулирование оборотов моторов различных типов за счет частоты получило широкое применение. Частотное преобразование занимает лидирующую позицию на рынке сбыта устройств-регуляторов оборотов и осуществления плавного пуска. Благодаря своей универсальности возможно влиять на мощность, производительность и скорость любого устройства с электродвигателем. Эти устройства применяются для однофазных и трехфазных двигателей. Применяются такие виды частотных преобразователей:

Специализированные однофазные.
Трехфазные без конденсатора.

Для регулирования оборотов используется конденсатор, включенный с обмотками однофазного двигателя (схема 3). Этот преобразователь частоты (ПЧ) имеет емкостное R, которое зависит от частоты протекающего переменного тока. Выходной каскад такого ПЧ выполнен на IGBT-транзисторах.

Схема 3 — Частотный регулятор оборотов.

У специализированного ПЧ есть свои преимущества и недостатки. Преимуществами являются следующие:

Управление АД без участия человека.
Стабильность.
Дополнительные возможности.

Существует возможность управлять работой электромотора при определенных условиях, а также защита от перегрузок и токов КЗ. Кроме того, возможно расширять функционал при помощи подключения цифровых датчиков, мониторинга параметров работы и использования PID-регулятора. К минусам можно отнести ограничения при управлении частотой и довольно высокую стоимость.

Для трехфазных АД применяются также устройства регулирования частоты (схема 4). Регулятор имеет на выходе три фазы для подключения электромотора.

Схема 4 — ПЧ для трехфазного двигателя.

У этого варианта тоже есть свои сильные и слабые стороны. К первым можно отнести следующие: низкую стоимость, выбор мощности, широкий диапазон частотной регуляции, а также все преимущества однофазных преобразователей частоты. Среди всех отрицательных сторон можно выделить основные: предварительный подбор и нагрев при пуске.

Характеристика асинхронного двигателя

Запуск двигателя с нагрузкой, подключение к валу благодаря созданию большого момента вращения. Это обеспечивает обслуживание асинхронных двигателей с фазовым элементом любой мощности.
Возможность постоянной скорости вращения большой или маленькой нагрузки
Регулирование автоматического пуска.
Работа даже при перегрузке тока напряжения.
Простота использования.
Невысокая стоимость.
Надёжность применения.

Недостатки применения

Использование резисторов увеличивается стоимость, а работа двигателя усложняется,
Большие размеры,
Значение КПД меньше, чем короткозамкнутых роторов,
Трудное управление скоростью вращения,
Регулярный капитальный ремонт .

Схема реверса асинхронного двигателя

В основе этого способа лежит изменение фазировки питающего напряжения двигателя, питающего обмотки статора. Схема реверса двигателя, в отличие от обычной схемы управления (пуск и останов) содержит не один, а два магнитных пускателя.

Как видно из схемы, их силовые контакты скоммутированы таким образом, что сработка каждого магнитного пускателя обеспечит подачу питающего напряжения на двигатель разной фазировки.

Порядок чередования питающих электродвигатель фаз при сработке пускателя КМ1 будет следующим: L1, L2, L3, а при сработке КМ2: L3, L2, L1. Изменение питающих фаз L1 на L3 и наоборот обеспечит разные направления вращения электромотора.

Для пуска электродвигателя в разных направлениях в схеме имеются две пусковые кнопки, нажатие на каждую вызовет сработку определенного контатора. В зависимости от того, какой именно пускатель сработал, фазировка питания на зажимах двигателя будет L1, L2, L3 или L3, L2, L1.

Для остановки электромотора в цепи питания катушек обоих пускателей предусмотрена одна кнопка “Стоп”, нажатие на которую прервет питающую цепь катушки сработавшего пускателя.

Во избежание одновременной сработки обоих пускателей вследствие ошибочных нажатий на “стартовые” кнопки и предотвращения замыкания фазного проводника L1 на L3 в управляющей части предложенной схеме на основе релейной логики выполнена блокировка такой сработки.

При сработке одного из магнитных пускателей, цепь питания катушки другого окажется размокнутой нормально-замкнутым контактом сработавшего контактора, включенным последовательно в эту цепь.

Главная
Электрические схемы
Реверс асинхронного двигателя

Управление асинхронным двигателем

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

нереверсивного пуска: пуск и остановка;
реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Нереверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного электрического тока через магнитный пускательL1, L2, L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, QF1 — автоматический выключатель, SB1 — кнопка остановки, SB2 — кнопка пуска, KM1 — магнитный пускатель, KK1 — тепловое реле, HL1 — сигнальная лампа, M — трехфазный асинхронный двигатель

Реверсивная схема

Реверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного электрического тока через магнитные пускателиL1, L2, L3 — контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, QF1 — автоматический выключатель, KM1, KM2 — магнитные пускатели, KK1 — тепловое реле, Mм — трехфазный асинхронный двигатель, SB1 — кнопка остановки, SB2 — кнопка пуска «вперед», SB3 — кнопка пуска «назад» (реверс), HL1, HL2 — сигнальные лампы

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

Функциональная схема частотно-регулируемого привода

В зависимости от функционала частотные преобразователи реализуют следующие методы регулирования асинхронным электродвигателем:
скалярное управление;
векторное управление.

Скалярное управление является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки — медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

По способу получения информации о положении потокосцепления ротора электродвигателя выделяют:
полеориентированное управление по датчику;
полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, которая имеется в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество пар полюсов двигателя).

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем без датчика положения ротора

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Ротор асинхронного двигателя

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

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

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

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

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

В них вставляются медные или алюминиевые стержни,

которые замыкаются на кольцо с обеих сторон, образуя так называемую «беличью клетку».

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

А вот так он выглядит в реальном двигателе.

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.

Подключение трехфазного двигателя через электронные устройства

Все способы пуска двигателя, описанные выше, называются Пуск прямой подачей напряжения. Часто, в мощных приводах, такой пуск является тяжелым испытанием для оборудования – горят ремни, ломаются подшипники и крепления, и т.д.

Поэтому, статья была бы неполной, если бы я не упомянул современные тенденции. Теперь всё чаще для подключения трехфазного двигателя вместо электромагнитных пускателей применяют электронные силовые устройства. Под этим я подразумеваю:

Твердотельные реле (solid state relay) – в них силовыми элементами являются тиристоры (симисторы), которые управляются входным сигналом с кнопки либо с контроллера. Бывают как однофазные, так и трехфазные. Вот моя статья.
Мягкие (плавные) пускатели (soft starter, устройства плавного пуска) – усовершенствованные твердотелки. Можно устанавливать ток защиты, время разгона/замедления, включать реверс, и др. И на эту тему есть статья. Практическое применение устройств плавного пуска – здесь.
Частотные преобразователи – самое совершенное устройство, что придумало человечество для подключения электродвигателя. Описывать частотники – дело не одной статьи.

Преимущества таких устройств очевидны (прежде всего – отсутствие контактов как таковых), недостаток пока один – цена. А вот как может выглядеть схема их включения:

10. Подключение трехфазного двигателя – общая схема с электронной силой