Устройство и принцип работы электродвигателя

Устройство и принцип работы электродвигателя

Электродвигатель – это электротехническое устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов. В домашнем хозяйстве они установлены в стиральной машине, холодильнике, соковыжималке, кухонном комбайне, вентиляторах, электробритвах и т. п. Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы.

В этой статье Я расскажу о самых распространенных видах и принципах работы электрических двигателей переменного тока, широко используемых в гараже, в домашнем хозяйстве или мастерской.

Схемы подключения однофазных асинхронных двигателей

С пусковой обмоткой

Для подключения двигателя с пусковой обмоткой потребуется кнопка, у которой один из контактов после включения размыкается. Эти размыкающиеся контакты надо будет подключить к пусковой обмотке. В магазинах есть такая кнопка — это ПНВС. У нее средний контакт замыкается на время удержания, а два крайних остаются в замкнутом состоянии.

Внешний вид кнопки ПНВС и состояние контактов после того как кнопка «пуск» отпущена»

Сначала при помощи измерений определяем какая обмотка рабочая, какая — пусковая. Обычно вывод от мотора имеет три или четыре провода.

Рассмотрим вариант с тремя проводами. В этом случае две обмотки уже объединены, то есть один из проводов — общий. Берем тестер, измеряем сопротивление между всеми тремя парами. Рабочая имеет самое меньшее сопротивление, среднее значение — пусковая обмотка, а наибольшее — это общий выход (меряется сопротивление двух последовательно включенных обмоток).

Если выводов четыре, они звонятся попарно. Находите две пары. Та, в которой сопротивление меньше — рабочая, в которой больше — пусковая. После этого соединяем один провод от пусковой и рабочей обмотки, выводим общий провод. Итого остается три провода (как и в первом варианте):

  • один с рабочей обмотки — рабочий;
  • с пусковой обмотки;
  • общий.

С этими тремя проводами и работаем дальше — используем для подключения однофазного двигателя.

Со всеми этими

    Подключение однофазного двигателя с пусковой обмоткой через кнопку ПНВС

подключение однофазного двигателя

Все три провода подключаем к кнопке. В ней тоже имеется три контакта. Обязательно пусковой провод «сажаем на средний контакт (который замыкается только на время пуска), остальные два — на крайние (произвольно). К крайним входным контактам ПНВС подключаем силовой кабель (от 220 В), средний контакт соединяем перемычкой с рабочим (обратите внимание! не с общим). Вот и вся схема включения однофазного двигателя с пусковой обмоткой (бифилярного) через кнопку.

Конденсаторный

При подключении однофазного конденсаторного двигателя есть варианты: есть три схемы подключения и все с конденсаторами. Без них мотор гудит, но не запускается (если подключить его по схеме, описанной выше).

Схемы подключения однофазного конденсаторного двигателя

Первая схема — с конденсатором в цепи питания пусковой обмотки — хорошо запускаются, но при работе мощность выдают далеко не номинальную, а намного ниже. Схема включения с конденсатором в цепи подключения рабочей обмотки дает обратный эффект: не очень хорошие показатели при пуске, но хорошие рабочие характеристики. Соответственно, первую схему используют в устройствах с тяжелым пуском (бетономешалки, например), а с рабочим конденсором — если нужны хорошие рабочие характеристики.

Схема с двумя конденсаторами

Есть еще третий вариант подключение однофазного двигателя (асинхронного) — установить оба конденсатора. Получается нечто среднее между описанными выше вариантами. Эта схема и реализуется чаще всего. Она на рисунке выше в середине или на фото ниже более детально. При организации данной схемы тоже нужна кнопка типа ПНВС, которая будет подключать конденсатор только не время старта, пока мотор «разгонится». Потом подключенными останутся две обмотки, причем вспомогательная через конденсатор.

Подключение однофазного двигателя: схема с двумя конденсаторами — рабочим и пусковым

При реализации других схем — с одним конденсатором — понадобится обычная кнопка, автомат или тумблер. Там все соединяется просто.

Подбор конденсаторов

Есть довольно сложная формула, по которой можно высчитать требуемую емкость точно, но вполне можно обойтись рекомендациями, которые выведены на основании многих опытов:

  • рабочий конденсатор берут из расчета 70-80 мкФ на 1 кВт мощности двигателя;
  • пусковой — в 2-3 раза больше.

Рабочее напряжение этих конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше, чем напряжение сети, то есть, для сети 220 вольт берем емкости с рабочим напряжением 330 В и выше. А чтобы пуск проходил проще, для пусковой цепи ищите специальный конденсатор. У них в маркировке присутствует слова Start или Starting, но можно взять и обычные.

Изменение направления движения мотора

Если после подключения мотор работает, но вал крутится не в том направлении, которое вам надо, можно поменять это направление. Это делают поменяв обмотки вспомогательной обмотки. Когда собирали схему, один из проводов подали на кнопку, второй соединили с проводом от рабочей обмотки и вывели общий. Вот тут и надо перекинуть проводники.

Применение магнитного контактора

Для организации плавного пуска приходится внедрять в цепь питания специальное коммутирующее устройство – пускатель. Это один из вариантов коннектора, который можно дополнить опциональными элементами, например, тепловым реле. Огромным преимуществом такой схемы является возможность организации не только пуска эл. двигателя, но и его остановки, реверса, а также защиты соединений от повреждения избыточными токами. Кроме того, сердечник или катушка может иметь номинал по напряжению 380 или 220В, что позволяет включать мотор в силовую и бытовую сеть.

Классические электросхемы подключения моторов через пускатель можно разделить на два типа:

  1. Нереверсивная. Соединение агрегата и сети без необходимости/возможности организации его обратного хода. В этом случае есть возможность интеграции, как в силовую, так и бытовую (220В) сеть,

Нереверсивная схема подключения

  1. Реверсивная. Электросхема, которая объединяет два пускателя (блок) с прерывателем цепи. Менять направление вращения роторного узла можно также для силовых и бытовых (220В) сетей.

Реверсивная схема подключения

Как можно судить по иллюстрациям, отличия между «сетевыми» вариантами заключаются в точках подключения выводов контактора:

  • для 380 вольт контакты замыкаются на 2 из 3 фаз,
  • для 220 вольт один из контактов соединяется с крайней фазой, а второй – с нулем.

Кроме того, во всех четырех вариантах присутствует элемент, обозначенный, как «Р». Это не что иное, как тепловое реле. Оно подключается в цепь последовательно с катушкой контактора и служит для обеспечения защиты двигателя от превышения токовых нагрузок.

По принципу действия тепловое реле является ключом, то есть при достижении критических для работоспособности агрегата и контактора токовых значений, происходит временный разрыв цепи питания. Некоторые виды теплового реле или «теплушки» используют для цепей постоянного тока или специфических режимах (затянутый пуск, выпадение фазы и т. п).

Постоянное включение магнитного пускателя приводит к механическому износу контактов, чего лишена тиристорная или бесконтактная схема. Разрыв цепи происходит не механическим путем (разведение контактной группы), а электронным – за счет диодных мостов.

Читайте также  Что можно сделать из фанеры

Трехфазный синхронный двигатель

Современные распределительные сети переменного тока выполнены по трехфазной схеме.

  • По сети передаются сразу три синусоиды со сдвигом фаз на треть периода или на 120 градусов относительно друг друга.
  • Трехфазный двигатель отличается от двухфазного тем, что у него не две, а три обмотки на статоре, повернутых на 120 градусов.
  • Три катушки, подключенные к трем фазам, создают в сумме вращающееся магнитное поле, которое поворачивает ротор.

Схема подключения обмоток электродвигателя звездой

Вот так выглядит борно электродвигателя и здесь обмотки соединены звездой. Т.е. концы обмоток соединены в одной точке.

Мои коллеги-инженеры сталкивались с такими случаями, когда перемычки кидали на начало обмоток, куда подключался питающий кабель. Сразу возникало короткое замыкание.

Фазное и линейное напряжение при соединении обмоток в звезду разное, а ток одинаковый.

А теперь давайте найдём полную мощность, развиваемую электродвигателем.

Полная мощность в трёхфазной системе равна сумме полных мощностей трёх фаз:

И теперь формула полной мощности будет выглядеть вот так:

А чтобы найти активную мощность применим следующую формулу:

где cosф- коэффициент мощности, n- КПД

Из формулы активной мощности выразим ток:

Однофазные асинхронные электродвигатели

Устройство и принцип действия

Мощность такого однофазного двигателя 220В может в зависимости от конструкции находиться в пределах от 5 Вт до 10 кВт. Его ротор – это обычно короткозамкнутая обмотка («беличья клетка») – медные или алюминиевые стержни, замкнутые с торцов.

Такой однофазный двигатель, как правило, имеет две смещенные на 90° друг относительно друга обмотки. Рабочая (главная) при этом занимает большую часть пазов статора, а пусковая (вспомогательная) – оставшуюся. И однофазным его называют потому, что у него лишь одна рабочая обмотка.

Переменный ток, протекающий по главной обмотке, создает периодически меняющееся магнитное поле. Его можно считать состоящим из двух круговых с одинаковой амплитудой, вращающихся навстречу друг другу.

По закону электромагнитной индукции в замкнутых витках ротора меняющийся магнитный поток создает индукционный ток, взаимодействующий с порождающим его полем. Если ротор неподвижен, моменты действующих на него сил одинаковы, вследствие чего ротор остается неподвижным.

Если же ротор начать вращать, то равенство моментов этих сил нарушится, поскольку скольжение его витков относительно вращающихся магнитных полей станет разным. Как следствие – сила Ампера, действующая на витки ротора со стороны прямого магнитного поля, будет значительно больше, чем со стороны обратного.

Индукционный ток в витках ротора может возникать лишь при пересечении ими силовых линий магнитного поля. А для этого они должны вращаться со скоростью, чуть меньшей, чем частота вращения поля (при одной паре полюсов – 3000 об/мин). Отсюда и название, которое получили такие электродвигатели, асинхронные.

При увеличении механической нагрузки скорость вращения уменьшается, возрастает величина индукционного тока в витках ротора. Как следствие – возрастают и механическая мощность двигателя, и мощность потребляемого им переменного тока.

Схема запуска и подключения

Понятно, что раскручивать вручную ротор при каждом запуске электродвигателя неудобно. Для создания первоначального пускового момента и используется пусковая обмотка. Поскольку она составляет с рабочей обмоткой прямой угол, для создания вращающегося магнитного поля ток в ней должен быть сдвинут по фазе относительно тока в рабочей обмотке тоже на 90°.

Добиться этого можно включением в цепь ее питания фазосмещающего элемента. Резистор или дроссель обеспечить фазовый сдвиг в 90° не могут, поэтому в большинстве ситуаций логично использование конденсатора в качестве фазосмещающего элемента. В этом случае однофазный электродвигатель обладает наилучшими пусковыми свойствами.

Когда фазовращающий элемент является конденсатором, однофазные электродвигатели конструктивно могут быть такими:

  • с пусковым конденсатором (рис. а);
  • с пусковым и рабочим (рис. б);
  • только с рабочим конденсатором (рис. в).

Первый (наиболее распространенный) вариант предусматривает подключение пусковой обмотки с конденсатором ненадолго на время пуска, после чего они отключаются. Реализовать его можно с помощью реле времени, а то и просто за счет замыкания цепи во время нажатия пусковой кнопки. Эта схема запуска характеризуется сравнительно небольшим пусковым током, но в номинальном режиме характеристики невысоки. Причина в том, что поле статора является эллиптическим (в направлении полюсов оно сильнее, чем в перпендикулярном).

Схема с рабочим, постоянно включенным конденсатором лучше работает в номинальном режиме, но имеет посредственные пусковые характеристики. Вариант с пусковым и рабочим конденсатором является промежуточным между двумя описанными выше. Расчет значений их емкостей сравнительно прост: у рабочего 0,75 мкФ на 1 кВт мощности, у пускового – в 2,5 раза больше.

Бесщеточные моторы

Но, двигатель со щетками, которые быстро изнашиваются и приводят к искрению, не может использоваться там, где необходима высокая надежность, поэтому среди электротранспорта (электровелосипедов, скутеров, мотоциклов и электромобилей) наибольшее применение нашли бесщеточные электродвигатели. Они отличаются высоким КПД, невысокой стоимостью, хорошей удельной емкостью, длительным сроком службы, малыми размерами, бесшумной работой.

Работа этого двигателя основывается на взаимодействии магнитных полей электромагнита и постоянного. Когда за окном 21 век, а вокруг полно мощных и недорогих проводников, логично заменить механический инвертор цифровым, добавить датчик положения ротора, решающий в какой момент на конкретную катушку необходимо подать напряжение, и получить бесщеточный электродвигатель постоянного тока. В качестве датчика чаще используется датчик Холла.

Поскольку в этом двигателе удалены щетки, он не нуждается в регулярном обслуживании. Управляется двигатель постоянного тока при помощи блока управления, позволяющего изменять частоту вращения вала мотора, стабилизировать на определенном уровне обороты (независимо от имеющейся на валу нагрузки).

Состоит блок управления из нескольких узлов:

  • Системы импульсно-фазового управления СИФУ.
  • Регулятора
  • Защиты.

Схемы подключения трехфазных электродвигателей

ВАЖНО! Перед подключением электродвигателя необходимо убедится в правильности схемы соединения обмоток электродвигателя в соответствии с его паспортными данными.

Условные обозначения на схемах

Магнитный пускатель (далее — пускатель) — коммутационный аппарат предназначенный для пуска и остановки двигателя. Управление пускателем осуществляется через электрическую катушку, которая выступает в качестве электромагнита, при подаче на катушку напряжения она воздействует электромагнитным полем на подвижные контакты пускателя которые замыкаются и включают электрическую цепь, и наоборот, при снятии напряжения с катушки пускателя — электромагнитное поле пропадает и контакты пускателя под действием пружины возвращаются в исходное положение размыкая цепь.

У магнитного пускателя есть силовые контакты предназначенные для коммутации цепей под нагрузкой и блок-контакты которые используются в цепях управления.

Контакты делятся на нормально-разомкнутые — контакты которые в своем нормальном положении, т.е. до подачи напряжения на катушку магнитного пускателя или до механического воздействия на них, находятся в разомкнутом состоянии и нормально-замкнутые — которые в своем нормальном положении находятся в замкнутом состоянии.

В новых магнитных пускателях имеется три силовых контакта и один нормально-разомкнутый блок-контакт. При необходимости наличия большего количества блок-контактов (например при сборке реверсивной схемы пуска электродвигателя), на магнитный пускатель сверху дополнительно устанавливается приставка с дополнительными блок-контактами (блок контактов) которая, как правило, имеет четыре дополнительных блок-контакта (к примеру два нармально-замкнутых и два нормально-разомкнутых).

Читайте также  1 закон кирхгофа формула

Кнопки для управления электродвигателем входят в состав кнопочных постов, кнопочные посты могут быть однокнопочные, двухкнопочные, трехкнопочные и т.д.

Каждая кнопка кнопочного поста имеет по два контакта — один из них нормально-разомкнутый, а второй нормально-замкнутый, т.е. каждая из кнопок может использоваться как в качестве кнопки «Пуск» так и в качестве кнопки «Стоп».

Схема прямого включения электродвигателя

Данная схема является самой простой схемой подключения электродвигателя, в ней отсутствует цепь управления, а включение и отключение электродвигателя осуществляется автоматическим выключателем.

Главными достоинствами данной схемы является дешевизна и простота сборки, к недостаткам же данной схемы можно отнести то, что автоматические выключатели не предназначены для частого коммутирования цепей это, в сочетании с пусковыми токами, приводит к значительному сокращению срока службы автомата, кроме того в данной схеме отсутствует возможность устройства дополнительной защиты электродвигателя.

Схема подключения электродвигателя через магнитный пускатель

Эту схему так же часто называют схемой простого пуска электродвигателя, в ней, в отличии от предыдущей, кроме силовой цепи появляется так же цепь управления.

При нажатии кнопки SB-2 (кнопка «ПУСК») подается напряжение на катушку магнитного пускателя KM-1, при этом пускатель замыкает свои силовые контакты KM-1 запуская электродвигатель, а так же замыкает свой блок-контакт KM-1.1, при отпускании кнопки SB-2 ее контакт снова размыкается, однако катушка магнитного пускателя при этом не обесточивается, т.к. ее питание теперь будет осуществляться через блок-контак KM-1.1 (т.е. блок-контак KM-1.1 шунтирует кнопку SB-2). Нажатие на кнопку SB-1 (кнопка «СТОП») приводит к разрыву цепи управления, обесточиванию катушки магнитного пускателя, что приводит к размыканию контактов магнитного пускателя и как следствие, к остановке электродвигателя.

Реверсивная схема подключения электродвигателя (Как изменить направление вращения электродвигателя?)

Что бы поменять направление вращения трехфазного электродвигателя необходимо поменять местами любые две питающие его фазы:

При необходимости частой смены направления вращения электродвигателя применяется реверсивная схема подключения электродвигателя:

В данной схеме применяется два магнитных пускателя (KM-1, KM-2) и трехкнопочный пост, магнитные поскатели применяемые в данной схеме кроме нормально-разомкнутого блок-контакта должны так же иметь и нормально замкнутый контакт.

При нажатии кнопки SB-2 (кнопка «ПУСК 1») подается напряжение на катушку магнитного пускателя KM-1, при этом пускатель замыкает свои силовые контакты KM-1 запуская электродвигатель, а так же замыкает свой блок-контакт KM-1.1 который шунтирует кнопку SB-2 и размыкает свой блок-контакт KM-1.2 который защищает электродвигатель от включения в обратную сторону (при нажатии кнопки SB-3) до его предварительной остановки, т.к. попытка запуска электродвигателя в обратную сторону без предварительного отключения пускателя KM-1 приведет к короткому замыканию. Что бы запустить электродвигатель в обратную сторону необходимо нажать кнопу «СТОП» (SB-1), а затем кнопку «ПУСК 2» (SB-3) которая запитает катушку магнитного пускателя KM-2 и запустит электродвигатель в обратную сторону.

Примечание: В данной статье понятия пускателя и контактора не разделяются в связи с идентичностью их схем подключения подробнее читайте статью: Контакторы и магнитные пускатели.

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

Заключение

Самостоятельное подключение трехфазных электродвигателей требует хороших знаний устройства и схем проверки работоспособности основных узлов. Однофазные варианты электродвигателей намного проще и не столь критичны, если допущены ошибки в определении полярности или емкости конденсатора. Но, в любом случае, при первом запуске стоит обращать внимание на нагрев корпуса и пусковых устройств, а также развиваемые электродвигателем обороты. Это поможет вовремя выявить и устранить ошибку до выхода из строя самого прибора.