Трифазний двигун

Додана 23 Жовтня 2017
*Матеріал із Вікіпедії - вільної енциклопедії
 
Трифазний асинхронний двигун

Трифазний двигун — електродвигун, конструктивно призначений для живлення від трифазної мережі змінного струму.

Являє собою машину змінного струму, що складається зі статора з трьома обмотками, магнітні поля яких зрушені в просторі на 120° і під час подачі трифазної напруги утворюють обертове магнітне поле в магнітному колі машини, і з ротора - різної конструкції, який обертається суворо зі швидкістю поля статора (синхронний двигун) або дещо повільніше за нього (асинхронний двигун).

Найбільшого поширення в техніці та промисловості набув асинхронний трифазний електродвигун із короткозамкненою обмоткою ротора, також званою "біляче колесо". Під виразом "трифазний двигун" зазвичай мається на увазі саме цей тип двигуна, і саме він описується далі в статті.

Принцип роботи двох і багатофазних двигунів був розроблений Ніколою Теслою і запатентований. Доливо-Добровольський удосконалив конструкцію електродвигуна і запропонував використовувати три фази замість двох, які використовував Н. Тесла. Удосконалення ґрунтується на тому, що сума двох синусоїд рівної частоти, що розрізняються за фазою, дають у сумі синусоїду, це дає можливість використовувати три дроти (у четвертому "нульовому" дроті струм близький до нуля) за трифазної системи проти чотирьох необхідних дротів за двофазної системи струмів. Деякий час удосконалення Доліво-Добровольського було обмежене патентом Тесли на мультифазні двигуни, який на той час встиг його продати Д. Вестінгаузу.

Режими роботи

Асинхронний двигун, згідно з принципом оборотності електричних машин, може працювати як у руховому, так і в генераторному режимах. Для роботи асинхронного двигуна в будь-якому режимі потрібне джерело реактивної потужності.

В режимі двигуна під час під'єднання мотора до трифазної мережі змінного струму в обмотці статора утворюється обертове магнітне поле, під дією якого в короткозамкненій обмотці ротора наводяться струми, що утворюють електромагнітний момент обертання, який прагне провернути ротор навколо його осі. Ротор долає момент навантаження на валу і починає обертатися, досягаючи підсинхронної швидкості (вона ж і буде номінальною з урахуванням моменту навантаження на валу двигуна).

В генераторному режимі за наявності джерела реактивної потужності, що створює потік збудження, асинхронна машина здатна генерувати активну потужність. Джерелом реактивної потужності може слугувати конденсатор.

Режими роботи (детально)

Пуск — вектор результуючого магнітного поля статора рівномірно обертається з частотою живильної мережі, поділеною на кількість окремих обмоток кожної фази (у найпростішому випадку - по одній). Таким чином, через будь-який перетин ротора проходить магнітний потік, що змінюється в часі за синусом. Зміна магнітного потоку в роторі породжує в його обмотках ЕРС. Оскільки обмотки замкнуті накоротко і зроблені з провідника великого перерізу ("біляче колесо"), то струм в обмотках ротора досягає значних величин і, своєю чергою, створює магнітне поле. Оскільки ЕРС в обмотках пропорційна швидкості зміни магнітного потоку (тобто - похідній за часом від синусової залежності - косинусу), наведена ЕРС білячого колеса і відповідно результуюче магнітне поле (вектор) ротора на 90 градусів "випереджає" вектора статора (якщо дивитися на напрями векторів і напрями їхнього обертання). Взаємодія магнітних полів створює обертальний момент ротора.

Електроенергія, що підводиться до електродвигуна в режимі пуску і повного гальмування, витрачається на перемагнічування ротора і статора, а також на активний опір струму в обмотці ротора. (Еквівалентно роботі понижувального трансформатора з коротким замиканням вторинної обмотки).

Холостой хід — після початку руху, зі збільшенням обертів ротора, його швидкість відносно вектора магнітного поля статора зменшуватиметься. Відповідно зменшуватиметься і швидкість зміни магнітного потоку через (будь-який) перетин ротора, відповідно зменшиться наведена ЕРС і результуючий магнітний момент ротора. За відсутності сил опору (ідеальний холостий хід) кутова швидкість ротора дорівнюватиме кутовій швидкості магнітного поля статора, відповідно різниця швидкостей, наведена ЕРС і результуюче магнітне поле ротора дорівнюватимуть нулю.

Електроенергія, що підводиться до електродвигуна в режимі холостого ходу, не споживається (індуктивне навантаження). Еквівалентно роботі понижувального трансформатора на холостому ходу (або короткозамкненими вторинними обмотками, розташованими вздовж сердечника)

Режим двигуна — середнє між повним гальмуванням і холостим ходом. Корисне навантаження і механічні втрати не дають змоги ротору досягти швидкості магнітного поля статора, їхнє відносне ковзання, що виникає, наводить деяку ЕРС і відповідне магнітне поле ротора, яке своєю взаємодією з полем статора компенсує гальмуючий момент на валу.

Механічна характеристика асинхронного двигуна є "жорсткою", тобто за незначного зменшення обертів крутний момент двигуна зростає дуже сильно - "прагне підтримувати номінальні оберти". Це гарна властивість для приводів, які потребують підтримання заданої швидкості незалежно від навантаження (транспортери, навантажувачі, підйомники, вентилятори).

Електроенергія, що підводиться до електродвигуна в руховому режимі, споживається (частиною, що позначається "косинус фі") на виконання корисної роботи і нагрівання двигуна, інша частина повертається в мережу як індуктивне навантаження. "Косинус фі" залежить від навантаження на двигун, на холостому ходу він близький до нуля. У характеристиці двигуна вказується "косинус фі" для номінального навантаження.

Генераторний режим виникає при примусовому збільшенні обертів вище "ідеального холостого ходу". За наявності джерела реактивної потужності, що створює потік збудження, магнітне поле ротора наводить ЕРС в обмотках статора і двигун перетворюється на джерело активної потужності (електричної).

Способи з'єднання обмоток

  • Зірка — кінці всіх обмоток з'єднуються разом і з'єднуються з "нулем" напруги, що підводиться. Початки обмоток підключаються до "фаз" трифазної мережі. На схемі зображення обмоток нагадують зірку (котушки за радіусом спрямовані з центру).
  • Трикутник — початок однієї обмотки з'єднується з кінцем наступної - по колу. Місця з'єднання обмоток підключаються до "фаз" трифазної напруги. "Нульового" виходу така схема не має. На схемі обмотки з'єднані в трикутник.

Схеми не мають особливих переваг одна перед одною, проте "зірка" вимагає більшої лінійної напруги, ніж "трикутник" (для роботи в номінальному режимі). Тому в характеристиці трифазного двигуна вказують дві номінальні напруги через дріб (як правило, це 220/380 або 127/220 вольт).

Двигуни, що працюють за схемою "трикутник", можна з'єднувати за схемою "зірка" на час пуску (для зниження пускового струму) за допомогою спеціальних пускових реле.

Початки і кінці обмоток виведені на колодку "два на три" виводи так, що:

  • для з'єднання в "зірку" потрібно з'єднати весь один ряд із трьох виводів - це буде центр ("нуль"), інші виводи підключаються до фаз;
  • для з'єднання в "трикутник" потрібно з'єднати попарно всі три ряди по два дроти і підключити їх до фаз;

Для зміни напрямку обертання трифазного електродвигуна необхідно поміняти місцями будь-які дві фази з трьох у місці підключення живлення до двигуна.

Робота в однофазній мережі

Може працювати в однофазній мережі з втратою потужності (не навантажений на номінальну потужність). При цьому для запуску необхідний механічний зсув ротора, або фазозсувний ланцюг, який зазвичай будується з ємності, індуктивності або трансформатора.

Під час однофазного запуску на одну з обмоток подається напруга (струм) через ємність або індуктивність, яка зсуває фазу струму (без урахування втрат):

  • вперед на 90° — при ввімкненні в ланцюг ємності,
  • назад на 90° — при ввімкненні в ланцюг індуктивності,

Після запуску напругу з фазозсувної обмотки знімати не можна. Зняття з фазозсувної обмотки напруги еквівалентно роботі трифазного двигуна з обривом однієї з фаз, і за навіть незначного зростання гальмівного моменту на валу двигун зупиниться і згорить.

У деяких випадках, при живленні від однофазної мережі, запуск здійснюється вручну проворотом ротора. Після провороту ротора двигун працює самостійно.

Трифазний двигун пристосований до трифазної мережі, а до однофазної мережі краще підходить двофазний двигун зі зсувом фази в другій обмотці або через конденсатор (конденсаторні двигуни), або через індуктивність.

Робота у випадку зникнення однієї фази

Запуск можливий тільки в разі з'єднання обмоток "зіркою" з підключенням нульового проводу (що не є обов'язковим для роботи). Якщо навантаження не дасть змоги двигуну запуститися і розвинути номінальні оберти, то через збільшення струму в обмотках і зменшення охолодження він вийде з ладу за кілька хвилин (перегрів, пробій ізоляції і коротке замикання).

Продовження роботи буде за будь-якого типу з'єднання обмоток, але оскільки при цьому перестає надходити приблизно половина енергії, то тривала робота можлива тільки при навантаженні двигуна значно меншому ніж на 50 %. За більшого (номінального) навантаження збільшення струму в фазах, що працюють, неминуче викличе перегрівання обмоток із подальшим пробоєм ізоляції та коротким замиканням. Це одна з частих причин передчасного виходу з ладу асинхронних двигунів.

Електрозахист

Для захисту двигунів від зникнення і перекосу (різниці напруг) фаз живильної напруги застосовують реле контролю фаз, які в цих випадках повністю відключають живлення (з автоматичним або ручним подальшим увімкненням). Можливе встановлення одного реле на групу двигунів.

Грубішим і універсальнішим захистом, обов'язковим за правилами експлуатації та зазвичай достатнім за правильно підібраних параметрів, є встановлення трифазних автоматичних вимикачів (по одному на двигун), які вимикають живлення в разі тривалого (до кількох хвилин) перевищення номінального струму в будь-якій із фаз, що є наслідком перевантаження двигуна, перекосу або обриву фаз.

вверх