Принцип работы электродвигателей. Основные понятия.
Магнетизм
Магнитное поле
Магнитное поле можно условно изобразить линиями в виде магнитного потока, движущегося от северного полюса к южному. В некоторых случаях определить, где северный, а где южный полюс, достаточно сложно.
Электромагнетизм
Вокруг проводника, при пропускании по нему электрического тока, создаётся магнитное поле. Это явление называется электромагнетизмом. Физические законы одинаковы для магнетизма и электромагнетизма.
Магнитное поле вокруг проводников можно усилить, если намотать их на катушку со стальным сердечником. Когда проводник намотан на катушку, все линии магнитного потока, образуемого каждым витком, сливаются и создают единое магнитное поле вокруг катушки.
Чем больше витков на катушке, тем сильнее магнитное поле. Это поле имеет такие же характеристики, что и естественное магнитное поле, а, следовательно, у него тоже есть северный и южный полюса.
Вращение вала электродвигателя обусловлено действием магнитного поля. Основные части электродвигателя: статор и ротор.
Ротор:
Подвижная часть электродвигателя, которая вращается с валом электродвигателя, двигаясь вместе с магнитным полем статора.
Статор:
Неподвижный компонент электродвигателя. Он включает в себя несколько обмоток, полярность которых меняется при прохождении через них переменного тока (AC). Таким образом, создаётся комбинированное магнитное поле статора.
Вращение под действием магнитного поля
Преимуществом магнитных полей, которые создаются токопроводящими катушками, является возможность менять местами полюса магнита посредством изменения направления тока. Именно эта возможность смены полюсов и используется для преобразования электрической энергии в механическую.
Чередование полюсов с помощью переменного тока
Чередование полюсов с помощью переменного тока
Полярность постоянно меняется с помощью переменного тока (AC). Далее мы увидим, как ротор заменяется магнитом, который вращается под действием индукции. Здесь важную роль играет переменный ток, поэтому будет полезно привести здесь краткую информацию о нём:
Под переменным током понимается электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю. Вращающееся магнитное поле можно создать с помощью трёхфазного питания. Это означает, что статор подсоединяется к источнику переменного тока с тремя фазами. Полный цикл определяется как цикл в 360 градусов. Это значит, что каждая фаза расположена по отношению к другой под углом в 120 градусов. Фазы изображаются в виде синусоидальных кривых, как представлено на рисунке.
Трёхфазный переменный ток
Смена полюсов
На следующих страницах объясняется, как взаимодействуют ротор и статор, заставляя электродвигатель вращаться.
Питание в сети переменного тока
Обмотки фаз A, B и C расположены по отношению друг к другу под углом в 120 градусов.
Количество полюсов электродвигателя определяется количеством пересечений поля обмотки полем ротора. В данном случае каждая обмотка пересекается дважды, что означает, что перед нами двухполюсный статор. Таким образом, если бы каждая обмотка появлялась четыре раза, это был бы четырехполюсный статор и т.д.
Когда на обмотки фаз подаётся электрический ток, вал электродвигателя начинает вращаться со скоростью, обусловленной числом полюсов (чем меньше полюсов, тем ниже скорость)
Вращение ротора
Ниже рассказывается о физическом принципе работы электродвигателя (как ротор вращается внутри статора). Для наглядности, заменим ротор магнитом. Все изменения в магнитном поле происходят очень быстро, поэтому нам необходимо разбить весь процесс на этапы. При прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора в нем создается магнитное поле, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля.
Начав вращение, магнит будет следовать за меняющимся магнитным полем статора. Поле статора меняется таким образом, чтобы поддерживалось вращение в одном направлении.
Индукция
Ранее мы установили, как обыкновенный магнит вращается в статоре. В электродвигателях переменного тока AC установлены роторы, а не магниты. Наша модель очень схожа с настоящим ротором, за исключением того, что под действием магнитного поля ротор поляризуется. Это вызвано магнитной индукцией, благодаря которой в проводниках ротора наводится электрический ток.
Индукция
В основном ротор работает так же, как магнит. Когда электродвигатель включен, ток проходит по обмотке статора и создаёт электромагнитное поле, которое вращается в направлении, перпендикулярном обмоткам ротора. Таким образом, в обмотках ротора индуцируется ток, который затем создаёт вокруг ротора электромагнитное поле и поляризацию ротора.
Принцип действия электродвигателей
Индукционные электродвигатели состоят из ротора и статора.
Токи в обмотках статора создаются фазовым напряжением, которое приводит в движение индукционный электродвигатель. Эти токи создают вращающееся магнитное поле, которое также называется полем статора. Вращающееся магнитное поле статора определяется токами в обмотках и количеством фазных обмоток.
Вращающееся магнитное поле формирует магнитный поток. Вращающееся магнитное поле пропорционально электрическому напряжению, а магнитный поток пропорционален электрическому току.
Вращающееся магнитное поле статора движется быстрее ротора, что способствует индукции токов в обмотках проводников роторов, в результате чего образуется магнитное поле ротора. Магнитные поля статора и ротора формируют свои потоки, эти потоки будут притягиваться друг к другу и создавать вращающий момент, который заставляет ротор вращаться. Принципы действия индукционного электродвигателя представлены на иллюстрациях справа.
Таким образом, ротор и статор являются наиболее важными составляющими индукционного электродвигателя переменного тока. Они проектируются с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Далее мы подробнее поговорим о конструкции ротора и статора.
Статор элетродвигателя
Ротор элетродвигателя
В электродвигателях используются так называемые «беличьи колеса» (короткозамкнутые роторы), конструкция которых напоминает барабаны для белок.
При вращении статора магнитное поле движется перпендикулярно обмоткам проводников ротора; появляется ток. Этот ток циркулирует по обмоткам проводников и создаёт магнитные поля вокруг каждого проводника ротора. Так как магнитное поле в статоре постоянно меняется, меняется и поле в роторе. Это взаимодействие и вызывает движение ротора. Как и статор, ротор изготовлен из пластин электротехнической стали. Но, в отличие от статора, с обмотками из медной проволоки, обмотки ротора выполнены из литого алюминия или силумина, которые выполняют роль проводников.
Асинхронные электродвигатели
В предыдущих разделах мы разобрали, почему электродвигатели переменного тока называют также индукционными электродвигателями, или электродвигателями типа «беличье колесо». Далее объясним, почему их ещё называют асинхронными электродвигателями. В данном случае во внимание принимается соотношение между количеством полюсов и числом оборотов, сделанных ротором электродвигателя.
Частоту вращения магнитного поля принято считать синхронной частотой вращения (Ns). Синхронную частоту вращения можно рассчитать следующим образом: частота сети (F), умноженная на 120 и разделенная на число полюсов (P).
Если, например, частота сети 50 Гц, то синхронная частота вращения для 2-полюсного электродвигателя равна 3000 мин-1.
Синхронная частота вращения уменьшается с увеличением числа полюсов. В таблице, приведенной ниже, показана синхронная частота вращения для различного количества полюсов.
Синхронная частота вращения для различного количества полюсов
Определение количества пар полюсов в асинхронных двигателях разнопланового применения
Определение числа пар полюсов в асинхронном электродвигателе активно реализуется, независимо от среды использования силовых агрегатов. Это помогает определять точное количество операций, для которых используется мотор и контролировать его ресурс. Обо всех особенностях мы напишем далее.
Асинхронный силовой агрегат представляет собой устройство, основное назначение которого – преобразовывать электрическую энергию в механическую, которая и приводит в движение рабочие компоненты оборудования. При этом, частота оборотов статорного магнитного поля по умолчанию больше аналогичного показателя ротора. Интенсивность вращения вала такого силового агрегата напрямую определяется количеством полюсов медной намотки. Данный показатель является одним из важнейших, определяющих функционирование мотора. Далее в статье мы расскажем об определении точного числа точек у моторов с асинхронным вращением ротора и статора.
Общие ведомости
По сути, количество полюсов – это всегда четное число (из-за этого и проводится подсчет именно пар точек, а не отдельных элементов). В современных асинхронных электродвигателях реализуется два типа обмотки:
Концентрированная обмотка подходит для бесщеточных двигателей. Вы можете легко изменить количество антиподов, изменив соединение катушек. Статор с шестью обмотками допускает два ключевых типа подсоединения. Один имеет месть на двух сторонах, второй – на четырех или восьми. Однако менять количество полюсов готового двигателя на четыре или восемь неразумно. Распределенная обмотка, которая часто используется для обеспечения 12 точек статора с девятью пазами, подходит для асинхронных двигателей. В таком случае количество подбирается еще до начала запуска намотки мотора.
Хотя небольшие двигатели обычно имеют четыре антипода, двухполюсные двигатели также используются для высокоскоростных приложений, требующих 50 или 60 оборотов в секунду. До того, как были введены бесщеточные двигатели, когда-то использовалась методика изменения количества полюсов в асинхронных силовых агрегатах с короткозамкнутыми якорями. Основа метода предполагает изменение типа соединения сложных обмоток, которые нельзя классифицировать как распределенную катушку или концентрированную обмотку. Данный способ был попыткой разрешить работу на двух разных скоростях путем изменения синхронной скорости. Модели моторов витками такой разновидностью называют моторами с расщепленными сторонами.
Полюса
Статор электродвигателя имеет сразу несколько пар катушек (р), которые подключаются к сетевому напряжению с определенным показателем частоты (f). В статоре создается намагниченное поле, которое в процессе работы вращается синхронно. Его рабочая скорость полностью соответствует частоте сети питания и рассчитывается по формуле n s = 60ф/п.
Это поле магнитного действия, вызывает напряжение в обойме ротора (которая представляет собой спрессованные листы, на которые нанесена медная или алюминиевая обмотка). Сгенерированный ток и поток магнитов вызывают вращения якоря. Если же ротор вращается с синхронной скоростью, он не будет вращаться по отношению поля, имеющего место в статоре. В якоре не будет индуцироваться напряжение, и сила, вращающая ротор, уменьшится.
Поэтому вал асинхронных двигателей всегда вращается с асинхронной скоростью относительно оперативности статорного МП. Отличия между этими скоростными данными называются скольжением, которое обычно варьируется в диапазоне от 3 до 5%.
Разница по сравнению с синхронной скоростью напрямую зависит от типа конструкции мотора, его эффективности. Далее мы все эти пункты рассмотрим подробнее.
Регулировка скорости работы мотора
Многие задаются вопросом: — Для чего необходимо обладать информацией о количестве пар полюсов? Первое, что отличается удобством выполнения при помощи этих данных – это регулирование скорости вращений в асинхронном двигателе.
В современных производственных отраслях применяется довольно широкий перечень промышленного оборудования, выполняющего определенные задачи. При этом, нет необходимости обеспечивать плавность регулировки скорости оборотов, достаточно обладать ограниченным перечнем скоростей (только самых важных, чаще всего используемых). К такого типа агрегатам относятся станки в металлообрабатывающей и деревообрабатывающей отраслях, лебедки в добывающих скважинах, центробежных разделителях и др.
Лимитированное число рабочих скоростей оборотов с легкостью обеспечивается многоскоростными моторами короткозамкнутой конструкции (с экранированными полюсами). Здесь могут иметь место сразу две модификации такого оборудования:
Взаимодействие роторной МДС со статорным элементом, реализуется только в ситуациях полного соблюдения равенства в количествах обмоточных пар этих двух компонентов. Именно поэтому, меняя количество полюсных пар на статоре, нужно обязательно поменять их и в роторе.
Если же имеет место асинхронный агрегат с якорем фазного типа, то для того, чтобы выполнить данное условие, необходимо иметь в наличии вспомогательных колец контактов. Эта особенность способствует увеличению внешних габаритов конструкции и, следственно стоимость.
Якорь короткозамкнутого регулирования с намоткой типа «беличья клетка» имеет в арсенале возможность автоматического генерирования набора пар, который будет равным такому же перечню, но уже со статорной движущей силой. Это качество обусловливает применение якорей коротких замкнутых в асинхронных моторах, работающих со многими скоростями.
Многоскоростные силовые агрегаты сразу с большим количеством катушек на статоре, уступают моделям с единой намоткой. Это выражается в бюджетном и технологическом плане. Устройства с множеством катушек слабо используют статорную обмотку, демонстрируют нерациональное использование пазов. Коэффициент полезного действия и cos ϕ на порядок ниже оптимальных показателей.
Эта важная особенность обусловливает то, что все чаще в производственной отрасли применяются электрические двигатели многоскоростного действия на 1 обмотку. Это выгодно, ведь агрегаты поддерживают переключение сразу на разный объем пар.
По сути, посредством переключения направленности движения токов в сфере намоток, параллельно меняют и способ работы с магнитодвижущими силами в середине статорной расточки. В результате получится измененная скорость оборотов МДС и, исходя из этого – непосредственно потока. Чаще всего применяется переключение в пропорции 1 к 2. Из этого следует, что намотки каждой из фаз создаются в форме двух сфер. Смена направления движения токов в какой-то из них дает возможность получать требуемое изменение объема полюсности вдвое.
Для более простого восприятия, мы взяли изображение намотки всего одной фазы, конструкция которой включает две секции.
Если реализовывать поочередное подсоединение секций – при подключении окончания первой (1К) со стартом другой (2Н), то в результате у нас будет 4 пары точек иле же просто 8 полюсов. Когда провести замену направленности перемещения тока в другой области на обратную, тогда количество полюсов, которые генерируются намоткой, уменьшится вдвое. Какие-либо вариации тока в среде 2Н можно провести посредством разрывания перемычки между секциями 1К и 2К. Число сгенерированных полюсов станет в 2 раза меньше, что информативно продемонстрировано на изображении Б.
Такая смена числа полюсов получается в результате изменения направленности электрического тока в секции №2, посредством применения слаженного запуска с первой. Это указано на изображении В. Здесь, также, как и в ранее описанной ситуации, намотка создает 4 полюса, что полностью отвечает вдвое большим показателям оборотов электрического агрегата.
Когда мы осуществляем сопоставление двух намоток в многоскоростных машинах, стоит преимущественно использовать те схемы, которые обеспечивают в процессе работы требуемый характер зависимостей показателей. К последним относятся момент, допустимый по нагреву от скорости. Схемы кроме всего прочего должны иметь самое малое количество выводов и контактных элементов.
Группирование соединений
Опять таки для лучшего удобства, давайте введем критерий, с помощью которого можно будет легко и просто относить обмоточные соединения к определенной группе. Момент, который развивает электромотор с короткозамкнутым якорем рассчитывается по такой формуле:
Исходя из условий нагревания ротора (если пренебрегаются условия вентилирования), ток (I2), работая с несколькими парами полюсов, должен всегда находиться на одном уровне. Косинус угла Ψ2 от холостого хода и до номинального момента должен быть максимально приближенным к показателю 1.
При тщательном соблюдении всех этих условий момент машины выражается таким равенством:
Показатель С 1 в свою очередь выражается другой понятной фо рмулой :
Справедливости ради укажем формулу расчета электромагнитного момента, который измеряется в джоулях. (2)
Приравняв два уравнения (1) и (2) мы получим такое значение Р, которое будет равняться 314 С 1 Ф.
Показатель мощности электромагнетизма силового агрегата при любом объеме полюсных обмотки статора, вычисляется при помощи соотношения напряжения элемента по фазам к количеству витков, которые находятся в фазной намотке и соединены последовательным способом.
Как можно видеть на схеме из рисунка А – все две секции являются обтекаемыми токами, движущимися в одном направлении. Все они полностью соответствуют высокому числу пар полюсов. В правой схеме (на рисунке Б) мы имеем встречное направление токов, благодаря чему можно судить о меньшем количестве пар полюсных пар.
Во всех этих случаях количество подключенных последовательным способом витков на обмотках 1 фазы остается на стабильном уровне. К ним дополнительно прилагается фазное напряжение, также на стабильно одинаковом уровне.
Схематическое изображение переключения полюсов статорных катушек в пропорции 1:2
Как можно видеть на графиках, подключение параллельного типа обмоточных секций позволяет изменять направление подачи тока в каждой из реализованных сфер. Данное значение отвечает за уменьшение числа пар. Вместе с этим, намотка создает сразу 2 звезды симметричного расположения, которые включаются на линейное напряжение. Применяя этот критерий, можно заметить, что когда осуществляется переход на увеличенную скорость оборотов, значение мощности увеличивается в двое :
Данные показатели полностью соответствуют утверждению М = константа.
Условное сравнение схем
Если проводит сравнительный анализ всех вышеописанных схем по отношению к требуемому количеству выходов и контактных элементов на управленческий аппарат, можно заметить несколько особенностей:
Представленные схемы указывают, что на 2-х скоростях соединения намоток были использованы «звезды» параллельного или последовательного типа. Если возникает необходимость внести изменения в напряжение, которое поступает на однофазную намотку, следует использовать сопряжение катушек с применением схемы обыкновенного или сдвоенного треугольника. В отдельных ситуациях можно даже комбинировать способы звезда – треугольник. При выборе последнего варианта все 3 секции намоток создают треугольник, а остальные 3 — соединяются с вершинами фигуры, создавая «лучи» типа «звезда».
Такие соединения активно применяются в приводах разнотипного оборудования, например, в прочных режущих станках. Также нередко модели используются в ситуациях, когда есть необходимость осуществить поочередное подключение треугольной схемой на 2 звезды, применяя параллельную компоновку.
Когда машина функционирует на малых вращениях, 2 секции каждой отдельной фазы, подключенные последовательным способом, создают линии треугольника, на углы которого осуществляется бесперебойная подача питания. В таком случае все сферы фазовой намотки окружаются током с одинаковыми показателями, что полностью совмещается с большим количеством пар.
С целью получения больших скоростных значений верха треугольника, который получился путем обмотки фаз, необходимо замкнуть коротко, а кабели подачи питания перенести в усредненные точки подключения обмоточных секций для каждой отдельной фазы. Исходя из этого, будут иметь место 2 звезды, подключенные параллельно.
Перед тем, как начать своими руками изготавливать обмотки, стоит знать, что процесс создания многоскоростных однообмоточных решений на порядок сложнее, чем двухобмоточных. То, сколько полюсов необходимо реализовывать в моторе, определяет скорость и интенсивность вращения вала силового агрегата и, как следствие – его общую продуктивность.
Определение точного количества
Выше мы уже описали, как проводить регулировку скоростных показателей, используя число пар полюсов двигателя. А как самостоятельно определить точное количество данных пар?
Скорость оборотов мотора асинхронного типа в большинстве ситуаций интерпретируется как угловая частота оборотов его ротора. Как правило, точное значение показателя указывается на технической табличке, устанавливаемой сбоку на корпусе двигателя. Выражается показатель в оборотах за 1 минуту.
Трехфазные силовые агрегаты поддерживают возможность электропитания и от сетей с одной рабочей фазой, но для реализации такой идеи нужно подсоединить конденсатор. Осуществить это стоит не просто, а одновременно одной или нескольким его намоткам, ориентируясь на уровень напряжения сети питания. Принципиально на конструкцию двигателя это не повлияет.
Если в процессе работы ротор, находясь под нагрузкой за 1 минуту вращается 2760 раз, то его угловая частота будет равняться 289 радиан в секунду. Рассчитать это довольно просто:
Получившийся показатель является более техническим, неудобным для восприятия рядовым пользователем. Именно поэтому, рабочие показатели мотора указывают просто и понятно — в оборотах за одну минуту.
Уровень слаженной скорости такого мотора (без учета такого важного значения, как скольжение) равняется 3000 вращений. Это обусловливается тем, что питание стартерных намоток сети обладает частотой в 50 Герц. Каждую рабочую секунду магнитный поток будет осуществлять 50 полноценных перемен. Исходя из этого – 50*60 = 3 тыс. Результативный показатель – синхронная скорость работы электрического двигателя асинхронного типа.
Далее мы рассмотрим о другом методе определения уровня скорости оборотов условного трехфазного агрегата, проведя визуальный осмотр статора. Оценивая внешний вид стационарной детали, расположение медных намоток и точное число пазов, возможно с легкость точно определить количество оборотов мотора. Особенно такая возможность полезна, если в наличии нет такого измерительного устройства, как тахометр.
3000 оборотов
Минимальный показатель – 1 пара, и, как следует — 2 полюса. На картинке видно, что статор включает по 2 намотки, которые по отдельности вложены в свой отдельный паз и поочередно подключена на всех фазах. Для каждой пары обмоток все они располагаются друг напротив друга. Они и образовывают по отдельной паре на стационарном элементе двигателя (статоре).
Нетрудно догадаться, что для точного подсчета количества синхронных вращений силовго агрегата, достаточно подсчитать пары полюсов мотора. Это осуществляется достаточно просто – открыванием крышки и оценкой статора.
В целом, сумму статорных пазов необходимо поделить на разъемы, которые относятся к каждой отдельной секции намотки одной из выбранных фаз. Если в результате расчетов получается 2, тогда двигатель включает 2 полюса, то есть число пар – одна. Исходя из этого, частота синхронных вращений составляет 3 тысячи за 1 минуту, но, учитывая скольжение, этот показатель становится 2910 об/мин. Самая простая модификация имеет 12 пазов, для каждой катушки по шесть разъемов. Таких намоток также 6 – по 2 на каждую отдельную из имеющихся тех фаз.
Необходимо в процессе реализации также учитывать, что точное число катушек в единой группе для каждой пары не во всех ситуациях должно равняться единице, допустимые значения также 2 и 3. Для простоты восприятия мы указали именно этот, наипростейший вариант.
Рассмотрим же более простые вариации с меньшими мощностями, которые также активно применяются.
1,5 тысячи вращений
Первое, что реализовывают – это обеспечивают по 4 секции намоток. Исходя из этого, если одна медная катушка располагается на 1/25 от всех пазов, то можно уверенно говорить, что имеется дело с мотором на две пары полюсов. Образовываются такие пары при помощи 4-х катушек на каждую фазу.
Есть еще одна распространенная ситуация, при которой 6 разъемов и 24 принимают одну намотку (12 из 48), что также свидетельствует о том, что силовой агрегат имеет 1500 оборотов за 1 минуту. А если учитывать S – скольжение, то реальный уровень будет 1350 об/мин.
1000 вращений
Представим ситуацию, при которой мы имеем допустимое количество катушек – 18, которые при этом смонтированы на статоре и каждая отдельная эта деталь занимает 1/6 от общего числа всех пазов. Если число разъемов составляет 24, то каждая намотка занимает всего 4 из общего количества. Учитывая скольжение, можно утверждать, что оборотов за 60 сек. будет 935.
750 об/мин
Для того, чтобы получить показатель синхронной мощности на этом уровне, нужно одновременное формирование тремя статорными фазами четырех пар передвигающихся полюсов. Это означает, что каждая фаза включает 8 катушек, размещаемых напротив, итого – 8 полюсов.
Если конструкция включает 48 разъемов, тогда придется размещать по намотке на отдельный паз. Это – ключевой параметр мотора с рабочими вращениями 750 за минуту, а при учете скольжения – 730.
500 оборотов
Чтобы получить силовой агрегат асинхронного типа с самым малым показателем мощности в 500 об/мин. С этой целью нужно иметь 6 полюсных пар, всего 12 катушек на 1 фазу. Это обеспечивает поворот магнитного потока на угол 60˚. Если конструкция статора включает 36 разъемов, на каждую намотку полагается 4 паза. Именно эти признаки напрямую указывают на асинхронный мотор с 500 вращениями за минуту. С учетом проскальзывания показатель составляет 480 об./мин. – реальное значение вращения.
Вывод
Порядок синхронных частот для силовых агрегатов асинхронного действия устанавливается и регулируется ГОСТом 10683-73. Согласно ему, количество оборотов мотора классифицируется на вышеописанные значения. Полюса напрямую определяют эту величину, поэтому, выбор машины стоит осуществлять, ориентируясь на точки управляющего прибора.
