Асинхронный двигатель три скорости схема

Что такое трехфазный двигатель и как он работает

В современной электротехнике из всех типов электродвигателей на переменном токе трехфазный двигатель получил наиболее широкое распространение. Такая популярность связана с его экономичностью и удобством в эксплуатации. Чтобы понять основную идею конструкции, основанной на применении трехфазного тока, и принцип работы двигателя с вращающимся магнитным полем, мы подготовили подробный материал.

В статье разобраны главные принципы работы трехфазных асинхронных двигателей, характеристики и различия в их устройстве. В качестве бонуса в статье читатель найдет видео c наглядным разбором устройства. Интересующие подробности можно уточнить в комментариях, эксперты ответят на любые ваши вопросы.

Основы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель переменного тока, также называемый короткозамкнутым двигателем, состоит из простого ротора в форме клетки и статора с тремя обмотками. Изменяющееся поле, создаваемое током линии переменного тока в статоре, индуцирует ток в роторе, который взаимодействует с полем и вызывает вращение двигателя. Базовая скорость двигателя переменного тока определяется количеством полюсов, встроенных в обмотки статора, и частотой входного напряжения переменного тока. Нагрузка на двигатель вызывает скольжение двигателя пропорционально нагрузке.

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:

• а) запуск и остановка на маленькой скорости (PV).
• Запуск путем нажатия на S1.
• Замыкание контактора цепи К1 и запуск двигателя соединенного треугольником.
• Автопитание через (К1, 13–14).
• Открытие К1, которое действует как шторка для того, чтобы хотя запущен в движение S2, контакторы большой скорости К2 и К3 не были активизированы.
• Остановка путем нажатия на S0.
• б) запуск и остановка на большой скорости (GV).
• Запуск путем нажатия на S2.
• Замыкание контактора звезды К2, которое формирует звезду двигателя при коротком замыкании: U1, V1 и W1.
• Замыкание контактора К3 (К2, 21–22) таким образом, что двигатель работает соединением в двойную звезду.
• Автопитание через (К2, 13–14).
• Открытие (К2, 21–22) и (К3, 21–22), которые действуют как шторки для того, чтобы никогда не закрывался К1 в то время, как закрыты К2 или К3.
• Остановка путем нажатия на S0.

Вспомогательные контакты системы кнопок (S1 и S2, 21–22)действуют как защитные двойные шторки системы кнопок в том случае, если на оба прерывателя попытаются нажать одновременно, чтобы никакой из контакторов не активизировался и эти контакты можно было бы убрать в том случае, если есть защитные шторки механического типа между К1 и К2.

Рисунок 19.3 – Цепи мощности и контроля для запуска двигателя с переключаемыми полюсами

Как подключить трехфазный электродвигатель к сети 220 В. Регулятор оборотов.

Довольно часто для каких-либо хозяйственных нужд требуется использование трехфазного электродвигателя (например, в качестве привода для эл. наждака, циркулярной пилы, бетономешалки и т. д). Известно, что трехфазные электродвигатели рассчитаны и предназначены для работы в трехфазной сети и далеко не всегда в распоряжении домашнего мастера бывает нужное напряжение

380 В, ведь в подавляющем большинстве частные дома и, тем более квартиры подключены к питающей сети

Существуют разные способы включения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть

220 В, самым простым и достаточно надежным из которых является применение фазосдвигающего конденсатора в схеме подключения его обмоток. Само название «фазосдвигающий конденсатор» говорит само за себя: он сдвигает ток по фазе на 90°, создавая в нем двухфазный вращающийся магнитный поток, который, собственно и вызывает вращение вала электродвигателя.

На схеме ниже показано подключение фазосдвигающих конденсаторов к обмоткам, соединенным в «звезду» и «треугольник», однако, следует учесть, что для снижения потерь мощности электродвигателя гораздо целесообразнее использовать соединение обмоток электродвигателя по схеме «треугольник».

Схемы подключения трехфазных электродвигателей с различными соединениями обмоток к однофазной сети

Стоит заметить, что для запуска любого электродвигателя требуется б́ольшая емкость конденсатора, чем для его работы (когда двигатель уже «набрал» обороты). Поэтому, на схеме ниже общая емкость «разбита» на два конденсатора: Сп — конденсатор с дополнительной емкостью для пуска электродвигателя и Ср — основной конденсатор с рабочей емкостью. В случае использования электродвигателя небольшой мощности (до 1 кВт) вполне можно «обойтись» лишь рабочей емкостью Ср, исключив из схемы конденсатор Сп.

Схема подключения трехфазного электродвигателя к однофазной сети:

Резистор R включен в схему в качестве сопротивления для разрядки конденсаторов Сп и Ср, для этого подойдет резистор с сопротивлением 300 Ом. Для изменения направления вращения вала электродвигателя, в схеме предусмотрен тумблер переключатель SA.

Для расчета ёмкости рабочего конденсатора можно воспользоваться формулой:

С раб = 4800 • I / U , мкФ – для двигателей с обмотками, соединенными «треугольником»

С раб = 2800 • I / U , мкФ – для двигателей с обмотками, соединенными «звездой»

Это самый точный и наиболее предпочтительный способ расчета ёмкости рабочего конденсатора, но для его использования необходимо знать значение тока I в цепи двигателя, т. е. потребуются дополнительные измерения. Зная номинальную мощность электродвигателя, рассчитать ёмкость рабочего конденсатора можно так-же по формуле:

С раб = 66• Рном , мкФ, где Рном — номинальная мощность электродвигателя.

Говоря проще, для нормальной работы трёхфазного двигателя в сети

220 В рабочий конденсатор должен иметь ёмкость, близкую к 7 мкФ на каждые 0,1 кВт его паспортной мощности.

Определившись с емкостью рабочего конденсатора, можно определить нужное ее значение для пускового конденсатора: она должна быть примерно в 2,5-3 раза больше рабочего емкости рабочего конденсатора.

Конденсаторы рабочей емкости следует использовать следующих типов: МБГЧ, КГБ, БГТ с рабочим напряжением, превышающим сетевое напряжение примерно в 1,5 раза. Чтобы набрать нужную емкость, можно соединить (спаять) конденсаторы параллельно: тогда их общая емкость будет равна суммарной. Пусковую емкость тоже лучше всего набрать из конденсаторов этих типов, но при кратковременном пуске (не более 2-3 сек) можно использовать электролитические, типов КЭ-2, К50-3, ЭГЦ-М с рабочим напряжением не менее 450 в.

В заключение стоит сказать, что при включении трехфазного электродвигателя в однофазную сеть

220 В следует иметь ввиду неминуемую потерю его мощности. Если частота вращения уменьшается совсем незначительно в этом режиме, то потеря мощности может составлять 50% от номинальной. Поэтому, лучше в сеть

220 В включать электродвигатели с обмотками, соединенными «треугольником»- в однофазной сети они способны развить до 75% от своей номинальной мощности.

Как известно можно изменять (регулировать) скорость вращения асинхронного безколлекторного электродвигателя изменяя частоту питающего двигатель переменного напряжения. На этом принципе был разработан, приведенный здесь, электронный регулятор скорости вращения. Регулятор позволяет изменять скорость вращения в довольно широких пределах — от 1000 до 4000 об/мин.

Регулятор состоит из задающего генератора с регулируемой частотой от 50 до 200 Гц, в который входят мультивибратор на микросхеме К561ЛА7 , счетчик К561ИЕ8 формирующий сигналы управления с фиксированным «мертвым временем» для управления силовыми полевиками полумоста регулятора.

Выходной трансформатор Т1 обеспечивает развязку верхнего и нижнего транзисторов полумоста. Выпрямитель, удвоитель напряжения питающей сети состоит из диодного моста VD9, включенного по нестандартной схеме и конденсаторов фильтра на которых и удваивается напряжение питания полумоста.
Демпфирующая цепь С4, R7 гасит всплески напряжения опасные для силовых транзисторов VT3, VT4.
Для трансформатора управления ключами, использовался каркас трансформатора от БП телевизора KORFUNG Ч/Б. Можно применить любой другой с аналогичным сечением железа — тип магнитопровода не имеет значения. Первичная обмотка содержит 120 витков провода диаметром 0,7мм, с отводом от середины, вторичная — две отдельные обмотки по 60 витков тем же проводом. Данные по вольтажу обмоток: первичка 2х12 вольт, вторички 12 вольт каждая, если сечение железа отличается от заданного, расчитать можно по формулам для трансформаторов на 50Гц. Марка провода роли не играет (медный).
Обе вторичные обмотки нужно хорошо изолировать друг от друга, так как потенциал между ними достигает 640 вольт. Подключать выходные обмотки к затворам ключей необходимо в противофазе.

Регулятор может работать с двигателями мощностью до 500Вт. Для применения регулятора с более мощными двигателями необходимо применить в схеме большее число силовых ключей в параллельном включении и увеличить емкость конденсаторов фильтра питания С3 и С4.
Конструктивно регулятор выполнен на печатной плате размрами 110 х 80мм, трансформатор управления ключами ставится отдельно.

Чтобы не применять дорогой и сложный коллекторный двигатель в механизмах требующих изменения оборотов двигателя, можно обойтись асинхронным трёхфазным двигателем, введя в фазовый провод реостат или простейший регулятор мощности.

Переделка двигателя заключается в изменении якоря двигателя.
По образцу якоря, установленного в двигателе изготавливается «массивный якорь» из магнитомягкой малоуглеродистой стали или из серого чугуна (СЧ). (Чугунный работает лучше.) Из старого якоря можно выпрессовать вал и насадить на него массивный якорь.

Схема устройства запуска приведена на рисунке ниже.

Двунаправленный электронный ключ выполнен на диодах VD1, VD2 и три-нисторах VS1, VS2. Диоды VD3 и VD4 образуют двухполупериодный выпрямитель сетевого напряжения, а резистор R1 и стабилитрон VD5 — стабилизатор выпрямленного напряжения. Управление тринисторами электронного ключа осуществляется транзисторами VT1, VT2. Момент включения электронного ключа устанавливают резистором R7 «Режим». При минимальном сопротивлении резистора ключ открывается в момент максимального напряжения на обмотке Б электродвигателя (см. рис. 2,6), при максимальном — ключ закрыт. Перед запуском двигателя движок резистора R7 переводят в крайнее нижнее (по схеме) положение, соответствующее максимальному фазовому сдвигу токов и, следовательно, наибольшему пусковому моменту на валу двигателя. После запуска тем же резистором устанавливают оптимальный режим работы двигателя в зависимости от его мощности и нагрузки. Как показала практика, устройство запуска эффективно работает с электродвигателями, частота вращения якоря которых не превышает 1500 об/мин и их обмотки соединены треугольником.

Устройство испытано на работе с двумя двигателями: мощностью 370 Вт (типа АААМ63В4СУ1) 1360 об/мин и мощностью 2000 Вт 1380 об/мин. В обоих случаях оно обеспечивало более уверенный запуск двигателя в сравнении с конденсаторной системой и мощность на валу двигателя после запуска была примерно одинаковой.

Детали устройства монтируют на печатной плате, которую размещают в корпусе из изоляционного материала. Тринисто-ры VS1, VS2 и диоды VD1, VD2 устанавливают на плате без теплоотводов. Резисторы — МЛТ, С2-33, конденсатор — К73-17. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми из тех же серий. Вместо диодов Д231, тринисторов КУ202Н можно использовать аналогичные другие с допустимым прямым током не менее 10 А и обратным напряжением не менее 300 В. При работе с устройством запуска следует иметь в виду, что все его элементы находятся под напряжением сети 220 В, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности.

Поведение ротора в бегущем магнитном поле

«Обмотки» ротора представляют собой проводники, расположенные «почти» параллельно валу ротора и набранные по кругу в виде «беличьей клетки». Это не обмотки, так как там ничего не намотано, а проводники, воткнутые в два металлических круга. То есть через эти металлические круги, накоротко замкнутые.

«Беличья клетка» является замкнутой накоротко обмоткой, которая заполнена пакетом-сердечником, набранным из поперечных тонких пластин из электротехнической стали

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

Здесь n_r – скорость вращения в оборотах в минуту,
f_u – частота питающего напряжения,
p – число катушек статора в каждой фазе.

Например, если, как нарисовано на картинке с красной стрелочкой вращения поля статора, в статоре три катушки, то есть по одной на каждую фазу, то получим

n_r = 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.

Регулирование скорости вращения изменением частоты первичного напряжения (частотное регулирование)

Для этого способа регулирования скорости вращения необходим источник питания с регулируемой частотой. В установках малой и средней мощности им может быть синхронный генератор, работающий при
переменной скорости вращения, статический преобразователь частоты — ионный или полупроводниковый (транзисторный или тиристорный). Развитие полупроводниковых преобразователей делает этот источник переменной частоты все более перспективным. Необходимость в самостоятельном источнике питания двигателя, усложняя установку и повышая ее стоимость, ограничивает применение этого способа регулирования скорости вращения асинхронных двигателей.
При регулировании частоты необходимо стремиться к тому, чтобы избежать ухудшения характеристик двигателя. В большинстве случаев это достигается сохранением постоянства потока Ф, так как увеличение потока увеличивает насыщение магнитной цепи и намагничивающий ток, а уменьшение потока приводит к недоиспользованию машины, уменьшению перегрузочной способности и увеличению тока ротора /2 при требуемом значении момента М (182).
Пренебрегая относительно небольшим падением напряжения в обмотке статора, имеем
Отсюда видно, что для сохранения значения потока неизменным одновременно с регулированием частоты необходимо изменять напряжение по закону U1=f 1. Это, вообще говоря, означает дальнейшее усложнение источника питания.
В случае, когда статический момент сопротивления рабочей машины заметно уменьшается с уменьшением скорости вращения (прежде всего это относится к центробежным машинам с так называемой вентиляторной характеристикой момента Мст=п2), энергетические показатели привода (cos ф1 и г|) улучшаются при более быстром уменьшении напряжения сравнительно с уменьшением частоты; наблюдаемое уменьшение максимального момента Мтах с учетом характера изменения статического момента сопротивления с позиций перегрузочной способности в этом случае можно считать вполне приемлемым.

Однофазные преобразователи частоты

Однофазные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводов насосных агрегатов, вентиляторов, маломощных станков. Для регулирования частоты вращения этих электрических машин применяются 2 основных способа:

• Изменение величины напряжения питания.
• Изменение частоты питающего напряжения.

Для регулирования питающего напряжения применяются трансформаторные, автотрансформаторные, тиристорные, симисторные и транзисторные преобразователи. Изменение частоты вращения путем регулирования напряжения имеет ряд серьезных недостатков:

• Увеличение скольжения и сильный нагрев обмоток статора.
• Узкий диапазон регулирования.

Кроме того, постоянная составляющая питающего напряжения на выходе тиристорных и симисторных устройств вызовает увеличение шума при работе, рывки и другие нежелательные явления.

Частотное регулирование лишено этих недостатков. Однофазные ПЧ применяются в холодильном оборудовании, системах вентиляции, бытовых насосах.

Такие электроприводы обеспечивают:

• Стабильную работу однофазного двигателя при любой частоте вращения.
• Снижение потребления электроэнергии.
• Возможность автоматической регулировки частоты вращения с обратной связью по изменению одного или нескольких технологических параметров.
• Удаленное управление и контроль характеристик.
• Защиту от ненормальных режимов работы и коротких замыканий.
• Интеллектуальное управление электродвигателем в соответствии с заданным алгоритмом.
• Возможность пуска без фазосдвигающего элемента.
• Поддержание необходимого момента на валу во всем диапазоне изменения скорости.

Кроме базовых составляющих, в состав однофазного преобразователя частоты входят ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер, устройство для обмена данными с удаленным оборудованием, пульт дистанционного управления. При введении дополнительных настроек допустимо применение трехфазного ПЧ для однофазных двигателей переменного тока.

Таким образом, управление однофазными и трехфазными асинхронными электродвигателями путем изменения частоты значительно превосходит метод регулирования величины напряжения, механические способы.