Самые распространённые электродвигатели — трёхфазные машины переменного тока. Они есть двух видов — асинхронные и синхронные. В этой статье рассказывается в чём сходство и различие между машинами обоих типов и область их применения.
Принцип действия и устройство электромашин разных типов
Асинхронные и синхронные электродвигатели похожи по конструкции, но есть и отличия.
Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей
Это самые распространённые машины переменного тока. Такие электродвигатели состоят из трёх основных частей:
- Корпус с подшипниковыми щитами и лапами или фланцем.
- В корпусе находятся магнитопровод из железных пластин с обмотками. Этот магнитопровод носит название статор.
- Вал с подшипниками и магнитпроводом. Эта конструкция называется ротор. В электродвигателях с короткозамкнутым ротором в магнитопроводе находятся соединённые между собой алюминиевые стержни, эта конструкция носит название "беличья клетка". В машинах с фазным ротором вместо стержней намотаны обмотки.
В пазах статора со сдвигом 120° намотаны три обмотки. При подключении к трёхфазной сети в статоре наводится вращающееся магнитное поле. Скорость вращения называется "синхронная скорость".
Справка! В однофазных электродвигателях вращающееся поле создаётся дополнительной обмоткой или конструктивными особенностями статора.
Это поле наводит ЭДС в роторе, возникающий при этом ток создаёт своё поле, взаимодействующее с полем статора и приводящее его в движение. Скорость вращения ротора меньше синхронной скорости. Эта разница называется скольжение.
Рассчитывается скольжение по формуле S=(n1-n2)/n1*100%, где: · n1 — синхронная скорость; · n2 — скорость вращения ротора.
на скольжения в обычных электромоторах 1-8%. При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение и вращающий момент растут до критической величины, при достижении которой двигатель останавливается.
В электродвигателях с фазным ротором вместо беличьей клетки в пазах ротора намотаны три обмотки. Через токосъёмные кольца и щётки они подключаются к добавочным сопротивлениям. Эти сопротивления ограничивают ток и магнитное поле в роторе. Это увеличивает скольжение и уменьшает скорость двигателя.
Такие аппараты используются при тяжёлом пуске и в устройствах с регулировкой скорости, например, в мостовых кранах.
Принцип действия синхронных электродвигателей
Статор синхронной машины не отличается от асинхронной. Отличие в роторе. В отличие от асинхронного двигателя, вращение осуществляется за счёт взаимодействия вращающегося магнитного поля статора и постоянного поля ротора. Для его создания в роторе находятся электромагниты. Напряжение к катушкам подводится при помощи токосъёмных колец и графитных щёток.
Справка! В роторе синхронных машин малой мощности вместо электромагнитов установлены постоянные или просто магнитопровод имеет явновыраженные полюса. Скольжение, как в асинхронных машинах, отсутствует, и частота вращения определяется только частотой питающего напряжения.
Запуск электродвигателей
Асинхронные электрические машины мощностью до 30-50кВт запускаются прямой подачей электроэнергии. С двигателями большой мощности и синхронными машинами дело обстоит сложнее.
Пуск асинхронных двигателей большой мощности
Для запуска таких машин используются разные способы:
- Включение добавочных сопротивлений в цепь статора. Они ограничивают пусковой ток, а после разгона закорачиваются пускателем.
- В аппаратах, предназначенных для работы в сети с фазным напряжением 660 вольт обмотки в сети 380 вольт соединены треугольником. На время пуска они переключаются в звезду.
- В электромашинах с фазным ротором для запуска в цепь ротора включаются добавочные сопротивления. После разгона они закорачиваются.
- При наличии регулировки скорости, переключением обмоток или изменением частоты, двигатель включается на минимальные обороты. После начала вращения, обороты увеличиваются.
Пуск синхронных электромашин
В отличие от асинхронных машин, пуск которых производится взаимодействием поля статора и обмоток или беличьей клетки ротора, синхронную машину необходимо предварительно разогнать до скорости, близкой к синхронной.
- С помощью дополнительного асинхронного двигателя. Так запускаются машины с постоянными магнитами в роторе. При достижении скорости, близкой к синхронной, асинхронхронник отключается и подаётся напряжение в статор синхронного двигателя.
- Асинхронный пуск. В роторе, кроме электромагнита, находится "беличья клетка". С её помощью аппарат разгоняется, после чего в обмотку подаётся постоянное напряжение, и двигатель начинает работать в качестве синхронного.
- Обмотки ротора закорачиваются напрямую или через добавочное сопротивление. После разгона в них подаётся постоянное напряжение.
- При помощи ТПЧ (тиристорного преобразователя частоты) частота питающего напряжения и скорость вращения плавно поднимается до номинальной. Этот способ применяется в механизмах с регулировкой скорости.
Особенности и применение разных видов электродвигателей
У каждого типа двигателей есть достоинства и недостатки по сравнению с другими. Это определяет область их применения. Применение разных типов электромашин зависит от их особенностей конструкции и принципа действия.
Достоинства и использование асинхронных электродвигателей
Такие машины имеют достоинства перед синхронными аппаратами:
- простота конструкции и низкая цена; аппараты с фазным ротором позволяют регулировать скорость вращения и осуществлять плавный пуск без использования преобразователей частоты;
- большое разнообразие мощностей — от нескольких ватт до десятков киловатт.
Кроме достоинств есть недостатки:
- падение скорости вращения при росте нагрузки;
- более низкий КПД и большие габариты, чем у синхронных аппаратов той же мощности;
- кроме активной, такие аппараты потребляют реактивную (индуктивную) мощность, что ведёт к необходимости устанавливать компенсаторы или дополнительно оплачивать реактивную электроэнергию.
Используются такие машины практически везде, где необходимо приведение в движение механизма и есть трёхфазное напряжение 380 вольт.
Содержание
Принцип действия [ править | править код ]
В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.
Ротор асинхронного двигателя может быть:
- короткозамкнутым;
- фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.
Якорь — это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте). По сути универсальный двигатель — это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.
Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя [ править | править код ]
При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.
Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.
Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.
Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трёхфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надёжнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно со вращающимся полем статора. Там, где нет трёхфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.
Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трёхфазного двигателя, пространственно смещённые на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.
На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трёхфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.
Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока f <displaystyle f> 
>>
При частоте 50 Гц получаем для p <displaystyle p>
Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).
В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из металлических стержней (медь, бронза или алюминий), которые расположены в пазах и соединяются на концах закорачивающими кольцами (рис. 1). Соединение осуществляется методом пайки твердым припоем или сваркой. В случае применения алюминия или алюминиевых сплавов стержни ротора и закорачивающие кольца, включая лопасти вентилятора, расположенные на них, изготавливаются методом литья под давлением.
У ротора электродвигателя с контактными кольцами в пазах находится трёхфазная обмотка, похожая на обмотку статора, включённую, например, звездой; начала фаз соединяются с тремя контактными кольцами, закреплёнными на валу. При пуске двигателя и для регулировки частоты вращения можно подключить к фазам обмотки ротора реостаты (через контактные кольца и щётки). После успешного разбега контактные кольца замыкаются накоротко, так что обмотка ротора двигателя выполняет те же самые функции, что и в случае короткозамкнутого ротора.
Классификация электродвигателей [ править | править код ]
По принципу возникновения вращающего момента электродвигатели можно разделить на гистерезисные и магнитоэлектрические. У двигателей первой группы вращающий момент создаётся вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Данные двигатели не являются традиционными и не широко распространены в промышленности.
Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы — на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).
Двигатели постоянного тока [ править | править код ]
Двигатель постоянного тока — двигатель, переключение фаз в котором осуществляется прямо в самом двигателе. Благодаря этому такой двигатель может питаться постоянным током, но так же и переменным.
Данная группа двигателей в свою очередь разделяется по способу переключения фаз и наличию обратной связи подразделяется на:
Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое синхронное переключение цепей вращающейся части машины и является наиболее ненадёжным и сложным в обслуживании конструктивным элементом. [1]
По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на:
- Двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов;
- Двигатели с самовозбуждением.
Двигатели с самовозбуждением делятся на:
- Двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения);
- Двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения);
- Двигатели смешанного возбуждения (часть обмотки возбуждения включается последовательно с якорем, а вторая часть — параллельно обмотке якоря или последовательно соединённым обмотке якоря и первой обмотки возбуждения, в зависимости от требуемой нагрузочной характеристики).
Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) — электродвигатели в котором переключение фаз осуществляется с помощью специального электронного блока (инвертора), могут быть с обратной связью с использованием датчика положения ротора, либо без обратной связи, фактически аналог асинхронного.
Двигатели пульсирующего тока [ править | править код ]
Двигатель пульсирующего тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется пульсирующим электрическим током. По конструкции очень близок к двигателю постоянного тока. Его конструктивными отличиями от двигателя постоянного тока являются шихтованные вставки в остове, шихтованные дополнительные полюса, большее число пар полюсов, наличие компенсационной обмотки. Применяется на электровозах с установками для выпрямления переменного тока [2]
Двигатели переменного тока [ править | править код ]
Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора (благодаря чему сам ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных — всегда есть разница между скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле вращается быстрее ротора).
Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения.
Синхронные электродвигатели подразделяются на [3] :
- синхронный двигатель с обмотками возбуждения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше). [4]
- синхронный двигатель с постоянными магнитами;
- синхронный реактивный двигатель;
- гистерезисный двигатель;
- шаговый двигатель;
- гибридный синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами;
- реактивно-гистерезисный двигатель.
Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей — вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.
Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.
По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:
Универсальный коллекторный электродвигатель [ править | править код ]
Универсальный коллекторный электродвигатель — коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном, и на переменном токе. Изготавливается только с последовательной обмоткой возбуждения на мощности до 200 Вт. Статор выполняется шихтованным из специальной электротехнической стали. Обмотка возбуждения включается частично при переменном токе и полностью при постоянном. Для переменного тока номинальные напряжения 127, 220 В, для постоянного 110, 220 В. Применяется в бытовых аппаратах, электроинструментах. Двигатели переменного тока с питанием от промышленной сети 50 Гц не позволяют получить частоту вращения выше 3000 об/мин. Поэтому для получения высоких частот применяют коллекторный электродвигатель, который к тому же получается легче и меньше двигателя переменного тока той же мощности или применяют специальные передаточные механизмы, изменяющие кинематические параметры механизма до необходимых нам (мультипликаторы). При применении преобразователей частоты или наличии сети повышенной частоты (100, 200, 400 Гц) двигатели переменного тока оказываются легче и меньше коллекторных двигателей (коллекторный узел иногда занимает половину пространства). Ресурс асинхронных двигателей переменного тока гораздо выше, чем у коллекторных, и определяется состоянием подшипников и изоляции обмоток.
Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока. Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включёнными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3—5 от номинального (против 5—10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.
Синхронный электродвигатель возвратно-поступательного движения [ править | править код ]
Принцип его работы заключается в том, что подвижная часть двигателя представляет собой постоянные магниты, закреплённые на штоке. Через неподвижные обмотки пропускается переменный ток и постоянные магниты под действием магнитного поля, создаваемого обмотками, перемещают шток возвратно-поступательным образом. [5]
История [ править | править код ]
Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию электромагнитным полем был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821 и состоял из свободно висящего провода, окунающегося в ртуть. Постоянный магнит был установлен в середине ванны со ртутью. Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывал циклическое магнитное поле вокруг провода [6] . Этот двигатель часто демонстрируется на школьных уроках физики, вместо токсичной ртути используют электролит. Это — самый простой вид из класса электрических двигателей. Последующим усовершенствованием является Колесо Барлоу. Оно было демонстрационным устройством, непригодным в практических применениях из-за ограниченной мощности.
Изобретатели стремились создать электродвигатель для производственных нужд. Они пытались заставить железный сердечник двигаться в поле электромагнита возвратно-поступательно, то есть так, как движется поршень в цилиндре паровой машины. Русско-прусский учёный Б.С. Якоби пошёл иным путём. В 1834 г. он создал первый в мире практически пригодный электродвигатель со вращающимся якорем и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». Б.С. Якоби писал, что его двигатель несложен и «даёт непосредственно круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное».
Вращательное движение якоря в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов. Неподвижная группа U-образных электромагнитов питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов была подключена к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось восемь раз за один оборот диска. Полярность электромагнитов при этом соответственно изменялась, а каждый из подвижных электромагнитов попеременно притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом: вал двигателя начинал вращаться. Мощность такого двигателя составляла всего 15 Вт. Впоследствии Якоби довёл мощность электродвигателя до 550 Вт. Этот двигатель был установлен сначала на лодке, а позже на железнодорожной платформе.
В 1839 г. Якоби построил лодку с электромагнитным двигателем, который от 69 элементов Грове развивал 1 лошадиную силу и двигал лодку с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое применение электромагнетизма к передвижению в больших размерах.
Электродвигатель у бактерий [ править | править код ]
Электродвигатель из нескольких белковых молекул преобразует энергию электрического тока в виде движения протонов во вращение жгутика, используемого для передвижения некоторыми видами бактерий. [7] [8]
Двигатель является устройством, преобразующим энергию в механический тип работы. Только зная функции и технические характеристики мотора, можно правильно резюмировать, чем отличается синхронный двигатель от асинхронного вида устройства.
Принцип работы синхронных и асинхронных моторов
Функционирование синхронных электродвигателей базируется на взаимодействии полюсов статора и индуктора. В пусковой момент происходит ускорение мотора до показателей вращательной скорости магнитного потока. В таких условиях устройство действует в синхронном режиме, а магнитными полями образуется особое пересечение, в результате чего происходит синхронизация.
Синхронный двигатель в разрезе
Асинхронные моторы имеют частоту роторного вращения, отличную от частоты, с которой вращается магнитное поле, создаваемое в результате действия питающего напряжения. Такие двигатели не обладают автоматической регулировкой токового возбуждения.
Асинхронный двигатель в разрезе
Основные отличия
Наличие обмоток на якоре является одним из основных отличий между двумя типами двигателей
Несмотря на внешнее сходство, асинхронные двигатели и устройства синхронного типа имеют несколько принципиальных отличий:
- ротор асинхронных моторов не нуждается в токовом питании, а индукция полюсов зависит от магнитного поля статора;
- ротор в синхронном двигателе обладает обмоткой возбуждения в условиях независимого питания;
- обороты в асинхронном моторе под нагрузкой отстают по величине скольжения от вращений магнитного поля внутри статора;
- обороты в синхронных двигателях соответствуют частоте «оборотов» магнитного поля в статоре и постоянны в условиях разных нагрузок.
Статоры в двигателях асинхронного и синхронного типа характеризуются одинаковым устройством и создают вращающееся магнитное поле.
Синхронные двигатели способны работать с одновременным совмещением функций мотора и генератора.
Такие устройства относятся к категории современных двигателей, обладающих высоким КПД и постоянной частотой вращения. Асинхронные моторы сложнее регулировать, а их коэффициент полезного действия недостаточно высокий. Тем не менее, второй вариант более доступен по цене.