Принцип дії
Всім нам на шкільних уроках фізики демонстрували досліди з дротяної рамкою, вміщеній в поле постійного магніту. Якщо через рамку пропустити струм, то на провідники в правій і лівій частині рамки буде діяти сили Ампера, що створюють крутний момент, і рамка зі струмом буде повертатися до тих пір, поки вона не займе положення, в якому діють сили врівноважують один одного.
Якщо змусити поле обертатися, рамка зі струмом буде обертатися разом з ним. На цьому принципі заснована робота синхронного електродвигуна. Рамка з магнітами - аналог електричного двигуна. Обертається рамка зі струмом - ротор. Нерухомі магніти - статор.
Трифазний синхронний двигун
Тепер треба змусити нерухомий статор створити обертове магнітне поле.
Для початку замінимо постійні магніти котушками зі струмом обмотками статора. Котушка зі струмом створює таке ж магнітне поле, як і магніт. Розмістимо на статорі не одну котушку-магніт, а три, повернувши їх на 120 градусів відносно один одного. Подамо на ці обмотки змінний струм із зсувом фаз на 120 градусів. Саме так зрушені фази в трифазній мережі.
Результуюче магнітне поле є результат векторного додавання трьох полів. Сумарний вектор магнітної індукції буде обертатися з частотою змінного струму. За один період магнітне поле, створюване статором трифазного двигуна, робить повний оборот. Ротор, який аналогічний котушці зі струмом, повертається разом з магнітним полем статора з тією ж швидкістю. Таким чином ротор синхронного двигуна обертається частотою живлячої змінного струму.
Синхронні двигуни мають найкращими характеристиками, розвивають максимальну потужність і забезпечують високий ККД. Однак там важкий ротор з обмотками, який складно балансувати. До обмоткам ротора треба підводити струм, а це вимагає застосування вкрай ненадійного щіткового вузла. Загалом, синхронний двигун - це добре, але складно, дорого і не дуже надійно.
Трифазний асинхронний двигун
Замкнемо кінці рамки накоротко. Отримаємо один короткозамкнений виток. Наш трифазний статор створює обертове магнітне поле. Нехай це поле і створює струм в короткозамкненим роторі.
Коли поле статора обертається відносно нерухомої рамки, воно створює в її контурі змінний магнітний потік. Згідно із законом електромагнітної індукції змінне поле наводить в рамці електричний струм. Струм створює крутний момент, і рамка повертається слідом за магнітним полем, як і в синхронному двигуні.
Але є одна принципова відмінність. У синхронному двигуні ротор обертається одночасно, тобто синхронно з полем статора. Ротор щодо поля статора нерухомий.
В асинхронному двигуні ротор намагається наздогнати обертається поле, але завжди трохи відстає, як би ковзає щодо нього. Якщо раптом швидкість обертання ротора точно зрівняється зі швидкістю поля, то в роторі перестане наводитися струм індукції.
Різниця частот обертання магнітного поля і ротора асинхронного двигуна називається ковзанням. Саме воно забезпечує наявність струму в роторі.
Асинхронні електродвигуни поступаються синхронним за всіма характеристиками, але значно простіше, легше, надійніше і дешевше. Практично всі електричні двигуни, що застосовуються сьогодні в промисловості - це асинхронні трифазні двигуни.
механічна характеристика
Механічна характеристика двигуна - це залежність моменту на валу від швидкості обертання.
Як вже було сказано, швидкість обертання ротора в асинхронному двигуні завжди відрізняється від швидкості обертання поля статора на величину ковзання.
Ковзання S = (n1- n2) / n1, де n1 - це швидкість обертання поля, а n2 - швидкість обертання ротора.
Характеристика показує, що двигун може працювати в п'яти режимах:
- Холостий хід.
- Пуск.
- Руховий режим.
- Режим рекуперації.
- Генераторний режим.
У режимі холостого ходу ковзання S дорівнює 0. Ротор обертається синхронно з магнітним полем, як в синхронному двигуні, а момент обертання дорівнює 0. Режим холостого ходу - чисто гіпотетичний і ніколи не реалізується на практиці.
У момент пуску ротор ще нерухомий і S = 1. Момент обертання при S = 1 називається пусковим моментом.
Після пуску ротор входить в руховий режим і починає розкручуватися, поступово наздоганяючи магнітне поле. У руховому режимі 1> S> 0.
Якщо ротор раптом якимось чином обжене поле, то настане режим рекуперації. При цьому двигун віддає енергію в мережу. В режимі рекуперації S <0.
S> 1 відповідає генераторному режиму. У генераторному режимі ротор рухається назустріч потоку і генерує електричний струм.
S = Sn відповідає номінальному режиму. Номінальне значення ковзання становить зазвичай 2-8%.
Однофазний асинхронний двигун
Можна ще спростити трифазний асинхронний двигун.
Залишимо на статорі всього одну обмотку і подамо туди однофазний електричний струм. У нас вийшов однофазний асинхронний двигун. У цьому двигуні поле статора нерухомо - в цьому принципова відмінність однофазного двигуна від багатофазного. Проте такий двигун працює.
Однофазний двигун не може стартувати самостійно. Нічого особливого в цьому немає. Звичний нам двигун внутрішнього згоряння теж треба спочатку розкрутити. В автомобілі ми користуємося додатковим електродвигуном - стартером, а в бензопиле робимо це вручну, смикаючи пусковий шнур.
Якщо однофазний двигун підштовхнути, причому в будь-яку сторону, він розженеться і буде підтримувати обертання в заданому напрямку.
Їли ротора надати обертання в певному напрямку, він буде рухатися попутно з одним полем і назустріч іншому.
Двигун можна уявити як два трифазних мотора, насаджених на один вал, але включених в зустрічному напрямку. При запуску вал нерухомий і мотори врівноважують один одного.
Якщо вал розкрутити зовнішньою силою в якомусь напрямку, то один мотор, запущений в попутному напрямку, виявиться в руховому режимі, а інший - в генераторному. Механічна характеристика показує, що крутний момент в руховому режимі більше, ніж в генераторному, тому попутний мотор перетягує.
Пуск
Для запуску однофазного електромотора на його статорі намотують додаткову пускову обмотку перпендикулярно основний і подають в неї струм із зсувом по фазі. Для зсуву фази послідовно з обмоткою включають фазосдвігающій елемент. Як фазосдвигающей елемента можна використовувати резистор, дросель або конденсатор. У будь-якому випадку повне комплексне опір в ланцюгах основний і пусковий обмоток буде різним, і струми отримають фазовий зсув.
Найчастіше для зсуву фаз використовують конденсатор.
Швидкість обертання
У мережах наших енергопостачальних компаній використовується змінна напруга 220/380 з частотою 50 Гц. Причому частота змінного струму 50 Гц підтримується з точністю до 2 відсотків. Як нам вже відомо, ротор синхронного електромотора обертається з частотою змінного струму. Тобто при частоті мережі живлення 50 Гц ротор здійснює 50 обертів на секунду або 3000 обертів на хвилину. Обмотку статора можна розділити на секції і зробити мотор багатополюсним. У многополюсном моторі швидкість знижується з ростом числа полюсів і в загальному випадку дорівнює 3000 / p оборотів, де p - це число полюсів.
Таким чином швидкість обертання мережевого електромотора в нашій країні не може бути вище 3000 оборотів в хвилину. У країнах, де прийнята частота мережі в 60 Гц, наприклад, в США, електромотори крутяться з максимальною швидкістю в 3600 оборотів в хвилину. І тут ми знову відстаємо від Америки.
У синхронному електродвигуні обороти не залежать від навантаження. При зростанні навантаження ротор синхронної машини відстає від поля на більший кут, але частота обертання не змінюється.
В асинхронному режимі величина ковзання залежить від навантаження. Таким чином, при збільшенні навантаження швидкість асинхронного електромотора падає.
схеми підключення
Пускова обмотка, включена зі зрушенням по фазі, повертає магнітне поле і перетворює на час запуску однофазний електродвигун в двофазний.
Додаткова обмотка не розрахована на тривалу роботу і після виходу на робочий режим повинна бути відключена. Відключення провадиться або вручну кнопкою, або відцентровим вимикачем, або тепловим реле по нагріванню пусковий обмотки.
В однофазному двигуні в робочому режимі магнітне поле статора нерухомо. У цьому його головна відмінність від багатофазного.
Іноді помилково називають однофазними електромотори, додаткова обмотка яких підключена через конденсатор постійно.
У однофазну мережу можна підключити і трифазний мотор, якщо одну з фазних обмоток підключити через конденсатор. Так що, якщо у вашому розпорядженні раптом опинився промисловий трифазний електромотор, ви можете використовувати його в однофазної домашньої мережі, хоча і з втратою потужності і більш низьким ККД.
порівняння двигунів
синхронний
- На роторі є обмотка, до якої подається струм.
- Частота обертання валу збігається або кратна частоті живильної мережі.
- Швидкість стабільна і не змінюється під навантаженням.
асинхронний
- Ротор не підключений до джерела струму.
- Частота обертання валу нижче частоти мережі на величину ковзання.
- Швидкість знижується з ростом навантаження.
однофазний асинхронний
- Єдина обмотка на статорі.
- Обертається в будь-якому напрямку.
- Чи не запускається самостійно.