Электродвигатели переменного тока: детали, типы, проводка и принцип работы

Как Двигатель переменного тока Работает

Двигатель переменного тока преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую энергию вращения по принципу электромагнитной индукции. Когда напряжение питания переменного тока подается на обмотки статора, оно генерирует вращающееся магнитное поле (ВМП). Скорость, с которой вращается это поле, называется синхронная скорость , определяемая частотой питания и числом пар магнитных полюсов в статоре: Нс = 120ф/П , где f — частота питания в Гц и P это количество полюсов.

В асинхронном двигателе — наиболее распространенном типе двигателей переменного тока — вращающееся магнитное поле пересекает проводники ротора и индуцирует в них ток по закону Фарадея. Этот индуцированный ток создает собственное магнитное поле, а взаимодействие между полем ротора и вращающимся полем статора создает крутящий момент, который заставляет ротор вращаться. Ротор всегда вращается немного медленнее синхронной скорости; эта разница скоростей называется скольжение , обычно 2–8% в стандартных асинхронных двигателях. Без скольжения между проводниками возбуждения и ротора не существует относительного движения, не индуцируется ток и не создается крутящий момент.

В синхронных двигателях переменного тока ротор вместо этого возбуждается полем постоянного тока или использует постоянные магниты, фиксирующие его вращение с точно синхронной скоростью с нулевым скольжением. Это делает синхронные двигатели предпочтительным выбором там, где важна точная работа с постоянной скоростью, например, в часовых механизмах, некоторых текстильных машинах и высокоэффективных приводах с регулируемой скоростью.

Части двигателя переменного тока

Понимание внутренней архитектуры двигателя переменного тока помогает выбрать правильный блок, диагностировать неисправности и планировать интервалы технического обслуживания. Основными компонентами являются:

• Статор: Стационарный внешний блок, в котором размещен ламинированный железный сердечник и медные обмотки. Сердечник статора изготовлен из тонких пластин кремнистой стали, сложенных вместе, чтобы минимизировать потери на вихревые токи. Обмотки наматываются в пазы сердечника и подключаются к источнику переменного тока.
• Ротор: Вращающийся внутренний узел установлен на выходном валу. В асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором ротор состоит из алюминиевых или медных токопроводящих стержней, закороченных на каждом конце концевыми кольцами. В двигателях с фазным ротором на роторе имеются трехфазные обмотки, соединенные с внешними резисторами через контактные кольца.
• Выходной вал: Твердый стальной вал, передающий механический крутящий момент на приводимую нагрузку. Диаметр вала и размеры шпоночного паза стандартизированы в соответствии со спецификациями размеров корпуса IEC или NEMA.
• Подшипники: Обычно радиальные шарикоподшипники на ведущей стороне (DE) и неприводной стороне (NDE). Подшипники выдерживают радиальные и осевые нагрузки, создаваемые ротором и ведомой нагрузкой, и являются наиболее распространенным элементом замены при техническом обслуживании.
• Торцевые щиты (концевые раструбы): Чугунные или алюминиевые корпуса, закрывающие каждый конец рамы двигателя, удерживающие подшипники на месте и закрывающие внутренний узел.
• Вентилятор и крышка вентилятора: Большинство двигателей переменного тока имеют конструкцию TEFC (полностью закрытое вентиляторное охлаждение) с внешним охлаждающим вентилятором, установленным на продолжении вала неприводной стороны и закрытым крышкой вентилятора из штампованной стали. Вентилятор втягивает окружающий воздух через ребра корпуса двигателя для рассеивания тепла.
• Клеммная коробка (распределительная коробка): Защищенный от атмосферных воздействий корпус на корпусе двигателя, содержащий клеммы для подключения обмоток (обычно обозначаемые U1, V1, W1, U2, V2, W2 в соответствии с конвенцией IEC). Сюда подключаются питающие кабели и любые соединения конфигурации звезда/треугольник.
• Рамка: Внешний корпус конструкции, обычно ребристый из чугуна или алюминиевого сплава, который обеспечивает механическую поддержку, действует как радиатор и несет на себе монтажные ножки или фланец для установки.

Дополнительные компоненты, присутствующие в конкретных типах двигателей, включают: скольжение rings and brushes (асинхронные двигатели с фазным ротором), центробежные пусковые выключатели (однофазные двигатели с конденсаторным пуском) и конденсаторы (однофазные конструкции с рабочим конденсатором и с конденсаторным запуском/работой).

Типы электродвигателей переменного тока

Двигатели переменного тока делятся на два основных семейства — асинхронные (асинхронные) и синхронные — каждое из которых имеет несколько подтипов, оптимизированных для различных эксплуатационных требований.

Для большинства промышленных применений трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором остается выбором по умолчанию. Он не требует щеток, контактных колец или внешнего возбуждения, что делает его самым простым в обслуживании и наиболее экономичным вариантом для нагрузок с постоянной скоростью. Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) расширили возможности применения в приложениях с регулируемой скоростью, для которых ранее требовались двигатели постоянного тока или двигатели с фазным ротором.

Основные схемы подключения двигателя переменного тока

Правильное подключение двигателя переменного тока имеет важное значение для безопасной эксплуатации и достижения правильных характеристик крутящего момента и скорости. Конфигурация клеммной коробки зависит от типа двигателя и напряжения питания, но нижеприведенная информация охватывает наиболее распространенные сценарии.

Трехфазные двигатели с двойным напряжением (звезда/треугольник)

Большинство трехфазных асинхронных двигателей рассчитаны на два уровня напряжения — обычно 230 В/400 В или 400 В/690 В — и клеммная коробка содержит шесть выводов, обозначенных U1, V1, W1 (начало обмотки) и U2, V2, W2 (концы обмотки). Напряжение питания определяет подключение:

• Соединение звездой (Y) — более высокое напряжение: Соедините U2, V2 и W2 вместе, чтобы сформировать нейтральную звездную точку. Подключите трехфазный источник питания к U1, V1, W1. На каждую обмотку подается фазное напряжение. Используется, когда напряжение питания соответствует более высокому номинальному напряжению двигателя (например, питание 400 В на двигателе 230/400 В).
• Соединение треугольником (Δ) — более низкое напряжение: Соедините U1 с W2, V1 с U2, W1 с V2, образуя замкнутый контур. Подключите трехфазное питание к каждой паре соединенных клемм. Каждая обмотка испытывает полное линейное напряжение. Используется, когда напряжение питания соответствует нижнему номинальному напряжению двигателя (например, питание 230 В на двигателе 230/400 В).

Звезда-Треугольник, запуск Это распространенный метод плавного пуска для больших двигателей: двигатель запускается звездой (пониженное напряжение на каждой обмотке = более низкий пусковой ток, обычно 1/3 пускового тока при прямом включении), затем переключается на треугольник, как только он достигает полной скорости. Это уменьшает помехи в питании, но также снижает пусковой момент на ту же 1/3 коэффициента, поэтому он подходит только для пусковых приложений с низкой нагрузкой.

Подключение однофазного двигателя

Однофазным двигателям переменного тока требуется вспомогательная пусковая цепь, поскольку однофазное питание само по себе не может создать вращающееся магнитное поле. Терминальное устройство обычно включает в себя:

• Клеммы основной обмотки (М): Подключается напрямую через линию и нейтраль.
• Клеммы пусковой обмотки (S): Подключается параллельно основной обмотке, но последовательно с пусковым конденсатором. Конденсатор создает сдвиг фаз (приблизительно 90°) между токами основной и вспомогательной обмотки, создавая вращающееся поле, достаточно сильное для развития пускового момента.
• Центробежный переключатель или реле PTC: Отключает пусковую обмотку, когда двигатель достигает примерно 75–80% синхронной скорости. Выход из строя этого переключателя — либо он остается открытым (двигатель не запускается), либо остается закрытым (пусковая обмотка перегревается и перегорает) — является одной из наиболее частых неисправностей однофазного двигателя.

Реверс вращения двигателя

Для изменения направления вращения трехфазного двигателя необходимо поменять местами любые две из трех фаз питания на клеммах двигателя — например, поменять местами соединения на U1 и V1. Это меняет направление вращающегося магнитного поля и, следовательно, ротора. У однофазных двигателей реверс достигается перестановкой соединений пусковой обмотки относительно основной обмотки; на некоторых двигателях для этой цели предусмотрена специальная маркировка клемм, тогда как другие требуют внутреннего переподключения.

Заземление и защита от перегрузки

Каждая установка двигателя переменного тока должна включать в себя подключение защитного заземления (PE) приклеен к корпусу двигателя, подключен к заземлению в клеммной коробке. Кроме того, правильно оцененный тепловое реле перегрузки или электронное реле защиты двигателя должно быть установлено в цепи питания и настроено на номинальный ток полной нагрузки двигателя (FLC). Защита от перегрузки является основной защитой от наиболее распространенного вида отказа двигателя: продолжительной перегрузки по току из-за механической перегрузки, однофазности или ограниченной вентиляции, которая повышает температуру обмотки за пределы предела класса изоляции.