вращающееся магнитное поле трехфазная система обмоток
Трехфазный асинхронный двигатель
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Конструкция асинхронного электродвигателя
Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.
Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.
Принцип работы. Вращающееся магнитное поле
Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.
Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.
,
Концепция вращающегося магнитного поля
Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени
Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.
Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток
Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.
Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.
Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.
Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора
Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n2 меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n1.
Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n2
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).
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
| 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 | |
| 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 | 0 | |
| Соединение треугольником (число выводов 3) | ||
| первый вывод | C1 | |
| второй вывод | C2 | |
| третий вывод | C3 | |
Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента
Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).
Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети
Схемы приведенные на рисунке «а», «б», «д» применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам «а», «б», «г» практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.
Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем «в», «д», «е» примерно рассчитывается соответственно по формулам:
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:
Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.
Нереверсивная схема
Реверсивная схема
Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запуска электродвигателя.
Плавный пуск асинхронного электродвигателя
В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.
Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.
Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.
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.
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.
Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.
Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором
До широкого распространения частотных преобразователей асинхронные двигатели средней и большой мощности делали с фазным ротором. Трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) обычно применяли в устройствах с тяжелыми условиями пуска, например в качестве крановых двигателей переменного тока, или же для привода устройств, требующих плавного регулирования частоты вращения.
Конструкция АДФР
Фазный ротор
Конструктивно фазный ротор представляет из себя трехфазную обмотку (аналогичную обмотки статора) уложенную в пазы сердечника фазного ротора. Концы фаз такой обмотки ротора обычно соединяются в «звезду», а начала подключают к контактным кольцам, изолированным друг от друга и от вала. Через щетки к контактным кольцам обычно присоединяется трехфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором, однако обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.
Статор АДФР
Статор асинхронного двигателя с фазным ротором по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Обозначение выводов вторичных обмоток трехфазного АДФР
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Начало | Конец | |
| Открытая схема (число выводов 6) | ||
| первая фаза | K1 | K2 |
| вторая фаза | L1 | L2 |
| третья фаза | M1 | M2 |
| Соединение в звезду (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | K | |
| вторая фаза | L | |
| третья фаза | M | |
| точка звезды (нулевая точка) | Q | |
| Соединение в треугольник (число выводов 3) | ||
| первый вывод | K | |
| второй вывод | L | |
| третий вывод | M | |
| Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода | Обозначение вывода | |
|---|---|---|
| Соединение звездой (число выводов 3 или 4) | ||
| первая фаза | Р1 | |
| вторая фаза | Р2 | |
| третья фаза | Р3 | |
| нулевая точка | 0 | |
| Соединение треугольником (число выводов 3) | ||
| первый вывод | Р1 | |
| второй вывод | Р2 | |
| третий вывод | Р3 | |
Пуск АДФР
Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора.
Применяются проволочные и жидкостные реостаты.
Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом.
Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом, в котором опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов [3].
Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.
При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.
ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТРЕХФАЗНОЙ ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
На рис. 2 показано распределение первой гармоники магнитного поля, создаваемого обмотками возбуждения явнополюсного или неявнополюсного роторов синхронной машины. При вращении ротора это поле индуктирует в обмотке статора СМ ЭДС, синусоидально изменяющуюся во времени. В трехфазном синхронном генераторе ЭДС отдельных фаз обмотки статора смещены на электрический угол 120°, что достигается пространственным сдвигом фаз, Под действием этих ЭДС в замкнутой на нагрузку обмотке протекают токи, которые создают магнитодвижущую силу (МДС) и круговое вращающееся магнитное поле, причем скорость вращения этого поля точно равна скорости вращения ротора.
В синхронных и асинхронных двигателях уложенные в пазы статора трехфазные обмотки подключаются к трехфазной сети и также создают круговое вращающееся магнитное поле, участвующее в преобразовании электрической энергии в механическую.
Принцип образования вращающегося магнитного поля рассмотрим на примере простейшей трехфазной обмотки, фазы которой сдвинуты в пространстве на 120°, имеют по одному витку, соединены в звезду и подключены к симметричной трехфазной системе со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°, так что для токов отдельных фаз можно записать:
На рис.1,а показаны кривые мгновенных значений этих токов, а на рис.1б,в,г условно показано распределение результирующего магнитного поля трех фаз для трех различных моментов времени. В момент времени t1 ток в фазе А положителен и равен максимальному:
токи в фазах В и С отрицательны и равны:
Рис. 1 — Образование вращающегося магнитного поля трехфазной обмотки машин переменного тока
Положительное направление тока условно принято от начала фазы к ее концу, что на схеме рис.1(б) обозначено крестиком:
для начала фазы и точкой для ее конца. Соответственно в фазах В и С токи отрицательны и направлены от В к У и от С к Z.
Пользуясь правилом «буравчика» легко найти картину распределения результирующего магнитного потока трех фаз для момента времени t1. Ось результирующего магнитного поля (Вmрез) направлена горизонтально справа налево.
Величина результирующей магнитной индукции составляет Вmрез=1,5 Вmф (Вmф — максимальная индукция пульсирующего магнитного поля фазы).
При изменении фазы токов в витках на 120° (момент времени t2) ось результирующего магнитного поля поворачивается в пространстве на 120° (рис.1,в) в направлении чередования фаз (от фазы А к фазе В). При изменении фазы токов в витках еще на 120° (момент времени t3) ось результирующего магнитного поля поворачивается еще на 120° (рис. 1,г).
Через время, равное периоду изменения тока в одной фазе Т (момент времени t4 на рис.1,а) магнитное поле делает полный оборот.
Для изменения направления вращения поля необходимо изменить порядок чередования тока в фазах, для чего на практике меняют местами выводы двух любых фаз, например В и С, что соответствует обратному порядку следования фаз. Направление вращения поля в этом случае будет против часовой стрелки, в чем нетрудно убедиться, произведя построения, аналогичные рис.1 с чередованием фаз А-С-В.
В рассмотренном случае число полюсов результирующего магнитного поля 2р=2 и оно вращается со скоростью:
что при частоте изменения тока f1=50 Гц составляет 3000 об/мин. Изменение скорости вращения магнитного поля возможно только за счет изменения числа пар полюсов обмотки или частоты питающей сети. Для основной судовой силовой сети, имеющей частоту 50 Гц, асинхронные двигатели имеют стандартные значения скорости вращения магнитного поля, кратные числу полюсов: для 2р=2, n1=3000 об/мин; для 2р=4, n1=1500 об/мин; для 2р=6, n1=1000 об/мин и т.д.
Рассмотрим форму кругового вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазной обмоткой. Естественно, что форма этого поля определяется главным образом, характером распределения МДС обмотки. Кроме того, на форме поля сказывается неравномерность воздушного зазора, насыщение магнитопровода и некоторые другие факторы.
МДС одной катушки с числом витков Wк и с током:
имеет прямоугольное распределение (рис.2,а) и численно равна:
Величина МДС, приходящаяся на один полюс, равна половине суммарной МДС:
Эта МДС изменяется во времени в соответствии с изменением тока в катушке, а создаваемый ею магнитный поток является пульсирующим.
Рис. 2 — Магнитное поле в зазоре, создаваемое: а – катушкой с полным шагом; б – катушкой с укороченным шагом; в – катушечной группой.
Прямоугольную волну МДС можно разложить в ряд Фурье, включающий нечетные гармоники (? = 1, 3, 5, 7…), каждая из которых изменяется по гармоническому закону в пространстве (cos??) и во времени (cos?t), т.е:
Амплитуда первой гармоники МДС катушки равна:
— множитель ряда Фурье;
Im и I — амплитудное и действующее значения токов в катушке.