Двухфазный двигатель - расскажем об одном из самых распространённых типов электродвигателей

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.

Электродвигатель

Давайте подвесим между полюсами неподвижного магнита проволочную петлю, через которую пропустим электрический ток. Мы увидим, что петля начнет отклоняться в сторону, чтобы выйти из магнитного поля. Именно это явление положено в основу всех электродвигателей. Главными частями электродвигателя являются: ротор и статор. Статор является неподвижной частью электродвигателя, служит магнитопроводом, в котором образуется магнитное поле. Подвижной вращающейся частью электродвигателя является ротор, на нем помещены витки провода, по которому пропускают электрический ток. Майкл Фарадей Двигатели, работающие от сети постоянного тока, являются двигателями постоянного тока. Двигатели, работающие от источника переменного тока, называются двигателями переменного тока. В результате проведенных экспериментов выдающийся английский физик Майкл Фарадей доказал, что при перемещении проводника в магнитном поле, можно создавать электрический ток индукционным методом. Так, в 1831 году было открыто явление электромагнитной индукции. Сразу же ученые и изобретатели нескольких стран взялись за разработку электродвигателя, пригодного для практики.

Первый электродвигатель постоянного тока Б.С. Якоби

Первыми были созданы электродвигатели постоянного тока, так как источники постоянного тока (батарея и гальванические элементы) были изобретены раньше. В 1834 году русским ученым Б. С. Якоби был создан первый электродвигатель, который состоял из двух частей — неподвижной и вращающейся. Благодаря изобретению был открыт принцип непрерывного вращательного движения. Мощность электродвигателя равнялась 15 Вт, источником тока были гальванические батареи. Однако практического применения электродвигатель не имел. В 1838 году Б. С. Якоби создал первый электродвигатель постоянного тока пригодный для практических целей. Мощность была увеличена за счет соединенных на одной плоскости 40 двигателей. Двигатель использовали для привода гребного вала лодки. 13 сентября 1838 года двигатель был установлен на лодке, в которой находилось 12 пассажиров. Испытания прошли весьма успешно. За 7 часов лодка проделала путь в 7 км со скоростью 2 км/ч. В сентябре 1839 года на катер с 14 пассажирами был установлен двигатель усовершенствованной конструкции, большей мощности, скорость которого составляла 4 км/ч. Двигатель Якоби стал самым надежным и мощным из всех конструкций, созданных на тот момент. К 70-м годам XIX столетия электродвигатель был полностью усовершенствован и сохранился в таком виде до наших дней.

Со временем в электродвигателях стали использовать электромагниты вместо постоянных магнитов, что позволило существенно увеличить мощность. Принцип работы электродвигателя постоянного тока заключается в следующем: к обмотке электромагнита подводят электрический ток, в результате между его полюсами возникает магнитное поле. Виток провода размещен на роторе. Когда к витку провода через коллектор подводится электрический ток, он начинает вращаться вместе с ротором. Особенностью таких электродвигателей является возможность регулировать частоту вращения ротора. Микроэлектродвигатели используют в электробритвах, системах автоматического регулирования, кофемолках и других приборах быта. Мощные электродвигатели используют для привода подъемных кранов, прокатных станков, на электрофицированном транспорте.

Трехфазный асинхронный электродвигатель

В 1889 году замечательный русский инженер-электротехник М. О. Доливо-Добровольский создал систему трехфазного тока и создал первый трехфазный двигатель переменного тока. Основными частями двигателя переменного тока также являются ротор и статор. В отличие от двигателей постоянного тока они не имеют коллектора, ток на обмотки ротора поступает через контактные кольца. В некоторых двигателях отсутствуют выводы на обмотках для подключения к току, а замкнуты между собой. Внешне ротор был похож на колесо в беличьей клетке и получил название беличьего колеса. Конструкция такого ротора дала возможность уменьшить магнитное и электрическое сопротивление и повысить эффективность работы, без принципиальных изменений она сохранилась до сегодняшних дней. Двигатели переменного тока существуют синхронные и асинхронные. У синхронного двигателя частота вращения магнитного поля, производимая обмотками статора, синхронна с частотой вращения ротора. В асинхронных двигателях частота вращения ротора отстает от частоты вращения магнитного поля статора. Наиболее просты и надежны асинхронные двигатели. Они получили широкое распространение.

Пусковой ток

Прямой пуск мотора характеризуется значительно большим уровнем тока, чем при его стабильной работе. Пусковой показатель может превышать номинал в 5-8 раз. При этом номинальный ток всегда указывается производителем на шильдике двигателя, тогда как пусковой описан только в технической документации. В характеристиках этот параметр указан как отношение пускового тока к номинальному.

Как вычислить пусковое напряжение?

Есть несколько способов произвести расчет пускового тока для асинхронного двигателя. Эти варианты пригодятся в том случае, если величина соотношения не указана в технической документации или сопровождающие бумаги были утеряны:

Осциллограф. Проверка показаний производится в момент пуска посредством резисторного шунта. Действующее напряжение вычисляют из максимального амплитудного значения, после чего, используя закон Ома, определяют пусковой ток. Преимущество такого способа в получении конкретных данных по определенному двигателю.
Пониженное напряжение. В таком варианте на двигатель подается сниженное в 5-10 раз напряжение и производится замер. После пересчета получается пусковой ток. Причем замеры достаточно произвести для 1 фазы. На остальных пусковые показатели должны быть аналогичными. Данный способ применяется на производстве для получения данных, отображаемых в таблице. Основанием служит номинальный ток, поэтому в каждом отдельном случае пусковой показатель может быть другим.
Токоизмерительные клещи. Простой и быстрый метод. Наиболее точные показания получаются при замере на системах с длительным пуском и высокой инерцией. Например, это могут быть вентиляторы или двигатели с массивной крыльчаткой.
Трансформатор. Способ, применяемый в узлах учета электроэнергии. Используя трансформатор, не нужно измерять реальный ток, достаточно получить его величину, уменьшенную в определенное количество раз. Существенным минусом метода является то, что трансформатор рассчитан на частотный диапазон в 50-60 Гц, тогда как пусковые переходные процессы могут иметь более широкий спектр и гармоники.

Важно помнить, что, в силу определенных факторов, заявленный производителем пусковой ток будет иметь большую кратность, чем его реальное значение

Как уменьшить напряжение при пуске асинхронного мотора

Большое пусковое усилие часто становится проблемой, вызывая перегрузки питающей сети, перегрев, ускоренный износ двигателя. Поэтому необходимо иметь возможность понизить его величину для сохранения работоспособности и долговечности систем. Есть несколько способов:

Плавный пуск. В таком варианте на двигатель подается сначала пониженное напряжение с постепенным повышением до номинала. Для реализации метода используются УПП (устройства плавного пуска) или частотные преобразователи.
Ограничители. В таком исполнении в качестве ограничивающего элемента при пуске применяются резисторы с высокими показателями сопротивления. После срабатывания таймера производится переключение двигателя на номинальное значение. Для сборки такого пускового устройства достаточно использовать контактор и реле времени, поэтому сделать его можно самостоятельно.
Звезда-треугольник. Особый способ подключения обмоток, который позволяет сразу использовать полное напряжение на прямой пуск и реверс, однако выводить магнитное поле двигателя на номинальную мощность постепенно. Такой подход помогает сохранить рабочие характеристики агрегата. Чертеж подобного подключения можно найти в интернете.

Есть также варианты запуска и раскручивания асинхронного реверсивного двигателя вхолостую. Нагрузка подключается только после достижения достаточных оборотов. В таком исполнении могут применяться вариаторы, муфты, коробки передач. При необходимости реализовать быструю остановку, можно использовать динамическое торможение, для чего на обмотки статора подается постоянное напряжение.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

где M – вращающий момент, Нм,
F – сила, Н,
r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент М_ном, Нм, определяют по формуле

где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
n_ном — номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

где P – мощность, Вт,
A – работа, Дж,
t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

где – угол, рад,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
P₂ — полезная мощность (), Вт

При этом

потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

где J – момент инерции, кг∙м2,
m — масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

где – угловое ускорение, с-2

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

19.3. Запуск двухскоростного двигателя с переключающимися полюсами без инверсии вращения

Электрические характеристики элементов контроля и защиты необходимые для выполнения этого типа запуска, как минимум должны быть:

Контактор К1, для включения и выключения двигателя на маленькой скорости (PV). Мощность должна быть такой же либо превышать In двигателя в треугольном соединении и с категорией обслуживания АС3.
Контакторы К2 и К3, для включения и выключения двигателя на большой скорости (GV). Мощность этих контакторов должна быть такой же либо превышать In двигателя соединенного двойной звездой и категориеи обслуживания АС3.
Термореле F3 и F4, для защиты от перегрузок на обоих скоростях. Каждый из них будет измерять In, употребляемый двигателем на защищаемой скорости.
Предохранители F1 и F2, для защиты от К.З. должно быть типа аМ и мощностью такой же или превышающей максимальное In двигателя, в каждой из своих двух скоростей.
Предохранитель F5, для защиты цепей контроля.
Система кнопок, с простым прерывателем остановки S0 и двумя двойными прерывателями движения S1 и S2.

Перейдем к описанию в краткой форме процесса запуска, как на малой скорости, так и на большой:

Как подобрать конденсаторы: 3 важных критерия

Трехфазный двигатель создает вращающееся магнитное поле статора за счет равномерного прохождения синусоид токов по каждой обмотке, разнесенных в пространстве на 120 градусов.

В однофазной сети такой возможности нет. Если подключить одно напряжение на все 3 обмотки сразу, то вращения не будет — магнитные поля уравновесятся. Поэтому на одну часть схемы подают напряжение, как есть, а на другую сдвигают ток по углу вращения конденсаторами.

Сложение двух магнитных полей создает импульс моментов, раскручивающих ротор.

От характеристик конденсаторов (величины емкости и допустимого напряжения) зависит работоспособность создаваемой схемы.

Для маломощных двигателей с легким запуском на холостом ходу в отдельных случаях допустимо обойтись только рабочими конденсаторами. Всем остальным движкам потребуется пусковой блок.

Обращаю внимание на три важных параметра:

емкость;
допустимое рабочее напряжение;
тип конструкции.

Как подобрать конденсаторы по емкости и напряжению

Существуют эмпиреческие формулы, позволяющие выполнять простой расчет по величине номинального тока и напряжения.

Однако люди в формулах часто путаются. Поэтому при контроле расчета рекомендую учесть, что для мощности в 1 киловатт требуется подбирать емкость на 70 микрофарад для рабочей цепочки. Зависимость линейная. Смело ей пользуйтесь.

Доверять всем этим методикам можно и нужно, но теоретические расчеты необходимо проверить на практике. Конкретная конструкция двигателя и прилагаемые нагрузки на него всегда требуют корректировок.

Конденсаторы рассчитываются под максимальное значение тока, допустимого по условиям нагрева провода. При этом расходуется много электроэнергии.

Если же электродвигатель преодолевает нагрузки меньшей величины, то емкость конденсаторов желательно снизить. Делают это опытным путем при наладке, замеряя и сравнивая токи в каждой фазе амперметром.

Чаще всего для пуска асинхронного электродвигателя используют металлобумажные конденсаторы.

Они хорошо работают, но обладают низкими номиналами. При сборке в конденсаторную батарею получается довольно габаритная конструкция, что не всегда удобно даже для стационарного станка.

Сейчас промышленностью выпускаются малогабаритны электролитические конденсаторы, приспособленные для работы с электродвигателями на переменном токе.

Их внутреннее устройство изоляционных материалов приспособлено для работы под разным напряжением. Для рабочей цепочки оно составляет не менее 450 вольт.

У пусковой схемы с условиями кратковременного включения под нагрузку оно уменьшено до 330 за счет снижения толщины диэлектрического слоя. Эти конденсаторы меньше по габаритам.

Это важное условие следует хорошо понимать и применять на практике. Иначе конденсаторы на 330 вольт взорвутся при длительной работе

Скорее всего для конкретного двигателя одним конденсатором не отделаться. Потребуется собирать батарею, используя последовательное и параллельное соединение их.

При параллельном подключении общая емкость суммируется, а напряжение не меняется.

Последовательное соединение конденсаторов уменьшает общую емкость и делит приложенное напряжение на части между ними.

Какие типы конденсаторов можно использовать

Номинальное напряжение сети 220 вольт — это действующая величина. Ее амплитудное значение составляет 310 вольт. Поэтому минимальный предел для кратковременной работы при запуске выбран 330 V.

Запас напряжения до 450 V для рабочих конденсаторов учитывает броски и импульсы, которые создаются в сети. Занижать его нельзя, а использование емкостей с большим резервом значительно увеличивает габариты батареи, что нерационально.

Для фазосдвигающей цепочки допустимо использовать полярные электролитические конденсаторы, которые созданы для протекания тока только в одну сторону. Схема их включения должна содержать токоограничивающий резистор в несколько Ом.

Без его использования они быстро выходят из строя.

Перед установкой любого конденсатора необходимо проверить его реальную емкость мультиметром, а не полагаться на заводскую маркировку. Особенно это актуально для электролитов: они зачастую преждевременно высыхают.

Подключение асинхронного двигателя

Трехфазный переменный ток

Электрическая сеть трехфазного переменного тока получила наиболее широкое распространение среди электрических систем передачи энергии. Главным преимуществом трехфазной системы по сравнению с однофазной и двухфазной системами является ее экономичность. В трехфазной цепи энергия передается по трем проводам, а токи текущие в разных проводах сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120°, при этом синусоидальные ЭДС на разных фазах имеют одинаковую частоту и амплитуду.

Трехфазный ток (разница фаз 120°)

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме “звезда” или “треугольник” в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).

Фазное напряжение – разница потенциалов между началом и концом одной фазы

Другое определение для соединения “звезда”: фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью (обратите внимание, что у схемы “треугольник” отсутствует нейтраль)

Линейное напряжение – разность потенциалов между двумя линейными проводами (между фазами).

Внимание: Несмотря на то, что мощность для соединений в звезду и треугольник вычисляется по одной формуле, подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора

Пример:

Допустим электродвигатель был подключен по схеме “звезда” к трехфазной сети переменного тока U

=380 В (соответственно U

=220 В) и потреблял ток I

=1 А. Полная потребляемая мощность:

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на “треугольник”, линейное напряжение останется таким же Uл=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз Uф=Uл=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы “треугольник” будет в три раза больше линейного тока схемы “звезда”. А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.

Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме “звезда”, подключение данного электродвигателя по схеме “треугольник” может привести к его поломке.

Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме “треугольник”, то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя

Обозначение выводов обмоток статора

вновь разрабатываемых

трехфазных машин согласно

ГОСТ 26772-85

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
Начало	Конец
Открытая схема (число выводов 6)
первая фаза	U1	U2
вторая фаза	V1	V2
третья фаза	W1	W2
Соединение в звезду (число выводов 3 или 4)
первая фаза	U
вторая фаза	V
третья фаза	W
точка звезды (нулевая точка)	N
Соединение в треугольник (число выводов 3)
первый вывод	U
второй вывод	V
третий вывод	W

Обозначение выводов обмоток статора ранее разработанных и модернизируемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
Начало	Конец
Открытая схема (число выводов 6)
первая фаза	C1	C4
вторая фаза	C2	C5
третья фаза	C3	C6
Соединение звездой (число выводов 3 или 4)
первая фаза	C1
вторая фаза	C2
третья фаза	C3
нулевая точка
Соединение треугольником (число выводов 3)
первый вывод	C1
второй вывод	C2
третий вывод	C3