На рис.7.7 приведены характеристики синхронных двигателей СДВ 17-39-12 и СДВ-17-59-12 (С – синхронный, Д – двигатель, В – для привода вентиляторов, 17 – габарит, 39 и 59 – длина сердечника статора, см, 12 – число полюсов) и ВДС 325/49-16. Характеристики синхронных двигателей (рис.7.7) имеют ряд преимуществ по сравнению с характеристиками , :
возможность работы с опережающим коэффициентом мощности;
более низкие потери;
синхронная вращения в независимости от нагрузки;
возможность плавного регулирования реактивной мощности и более высокое качество в узлах нагрузки;
способность сохранять устойчивую работу при колебаниях в питающей сети.
Последняя особенность связана с тем, что у синхронного двигателя максимальный момент пропорционален напряжению, а у АД – квадрату – рис.7.4.
Синхронные двигатели, наряду с наличием на роторе обмотки возбуждения, имеют и мощную демпферную систему, обеспечивающую пуск и разгон ротора до подсинхронной частоты вращения в асинхронном режиме, с замкнутой на гасительное сопротивление обмоткой возбуждения. По достижении подсинхронной частоты вращения осуществляется синхронизация двигателя путем включения АГП и доведение его частоты вращения до синхронной. Синхронизация усложняется при высоких коэффициентах загрузки двигателя, а в системе собственных нужд электростанций возможности разгрузки на период синхронизации отсутствуют – рис.7.7.
Недостатком синхронных электродвигателей является необходимость отключения АГП и перевод их в асинхронный режим даже при кратковременных глубоких понижениях питающего напряжения, связанных с неудаленными и ошибочным отключением рабочих вводов питания. При использовании синхронных двигателей на электростанциях они будут участвовать в самозапуске наряду с другими асинхронными двигателями в условиях более низких питающих напряжений по сравнению с пуском отдельного . При этом условия синхронизации усложняются.
Исходя из высокой чувствительности синхронных электродвигателей к глубоким понижениям напряжения, трудности синхронизации в условиях самозапуска, отсутствие необходимости компенсации реактивной мощности в системе СН ввиду небольшой удаленности синхронных генераторов, синхронные электродвигатели нашли ограниченное применение в системе СН электростанций. Синхронные электродвигатели используются для питания потребителей, не влияющих на немедленное прекращение технологического процесса: часть циркуляционных насосов, приводы компрессоров и вентиляторов, мельниц, дробилок. Перечисленные механизмы обычно имеют промежуточные бункеры топлива и запасы перекачиваемого рабочего тела в ресиверах.
В виде примера в табл.7.2 изображена мельница-вентилятор с приводным синхронным двигателем марки СДМЗ2-22-61-40УХЛ4, предназначенным для привода шаровых и стержневых мельниц. В обозначении типа:
С – синхронный, Д – двигатель, М – для привода мельниц, З – закрытого исполнения, 2 – вторая серия, 22 – габарит, 61 – длина сердечника статора, см, 40 – число полюсов, УХЛ4 – климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ. Пуск двигателя асинхронный прямой при номинальном напряжении сети с включением в цепь обмотки возбуждения разрядного сопротивления. В процессе пуска среднее на зажимах двигателя должно быть не менее 0,85Uном, минимальное в начале пуска – не менее 0,8Uном. Двигатель допускает два пуска подряд из холодного состояния или один пуск из горячего состояния при условии, что средний статический момент сопротивления механизма на валу за время пуска не превышает 0,8М ном при моменте инерции приводимого механизма не более указанного в табл.7.2. Возбуждение двигателя осуществляется от тиристорных возбудителей. Обращаем внимание на низкую частоту вращения электродвигателей серии СДМЗ2 в пределах 100 – 150 об/мин, на которые асинхронные двигатели не выпускаются.
История электромоторов составляет более 170 лет, однако наибольшее их развитие можно наблюдать за последние десять или около того лет. Появление электронных систем управления, позволяющих регулировать скорость и крутящий момент, и, следовательно, различные типы преобразователей частоты и системы плавного пуска произвели революцию на рынке для использования таких электроприводов.
В настоящее время электродвигатели используются не только для управления различными типами машин, но и в современных системах автоматизации. Двигатель, взаимодействующий с преобразователем частоты или сервоприводами используется в конвейерах, системах позиционирования, а также в приложениях, включая многоосевые приложения, которые требуют точных, быстрых и синхронизированных перемещений.
ПРИВОДНАЯ ТЕХНИКА В АВТОМАТИЗАЦИИ
Приводная техника, используемая в широко понятных системах автоматизации, охватывает довольно большую группу устройств.
Существуют не только двигатели постоянного тока, синхронные двигатели переменного тока, асинхронные двигатели, частотные преобразователи, но также сервоприводы, моторедукторы и другие механические элементы, которые позволяют регулировать скорость и крутящий момент двигателя.
Наиболее часто используемыми в автоматизации являются двигатели и низковольтные приводы мощностью от 1 киловатта до не более нескольких десятков, а иногда и нескольких сотен. Двигатели с системами рекуперации энергии становятся все более популярными в мире. Это связано не только с необходимостью использования высокопроизводительных устройств, но и с правилами регулирования потребления и энергии, которые становятся все более жесткими во многих странах.
Небольшие двигатели переменного тока, предлагаемые Украинскими поставщиками, являются синхронными и асинхронными двигателями. Универсальные двигатели, которые могут работать как с постоянной, так и с переменной мощностью постоянного тока, гораздо менее популярны среди украинских потребителей. Как уже упоминалось, наиболее продаваемыми являются двигатели мощностью от 1 Вт до 5 кВт, а также устройства мощностью от 5 Вт до 10 кВт.
Стоит отметить, что в Украине наиболее популярными сейчас являются асинхронные двигатели, которые могут быть легко использованы во всех видах систем привода, где не требуется точное управление двигателем. Асинхронные электродвигатели купить украина от мировых лидеров SIEMENS, ABB, FESTO, Phoenix Contact можно на сайте /simat.com.ua/
В случае сервоприводов пользователи обращают внимание на динамику привода и точность движения. Также важны такие параметры, как эффективность двигателя, что существенно влияет на общую стоимость поддержания системы автоматизации в данной компании.
Современные электродвигатели характеризуются простой конфигурацией и простотой эксплуатации. Инженеры делают упор на повышение их эффективности и улучшение рабочих параметров, а также на их автоматическую адаптацию к изменяющимся условиям нагрузки.
Проэкологическое строительство двигателя и низкое потребление энергии также становятся все более и более важными. Электродвигатели систематически
подвергаются миниатюризации. К сожалению, после уменьшения размеров двигателей, нет снижения мощности, но увеличивается их грузоподъемность.
Принимая во внимание контроль, наблюдается тенденция к цифровизации электродвигателей. Существует все больше доступных протоколов и коммуникационных
технологий, которые основаны главным образом на промышленном Ethernet.
Асинхронные двигатели используются для привода приводов, но у них есть конкретные области применения.
Асинхронные двигатели используются в приложениях с меньшим технологическим зацеплением, но там, где момент инерции привода значителен. Такие применения представляют собой плоские роликовые конвейеры или, насосы, вентиляторы, лифты, - говорит Конрад Флорчик, инженер-программист SEW-EURODRIVE Polska.
Синхронные серводвигатели в основном для специальных задач. Низкий момент инерции - высокая динамика плюс эффективный и эффективный контроль - эти параметры позволяют использовать эти двигатели, как манипуляторы или конечные механизмы машин.
АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Асинхронные двигатели являются наиболее часто используемыми типами электродвигателей в промышленности и автоматизации. По оценкам, более половины электроэнергии, производимой на электростанциях, потребляется асинхронными двигателями. Их преимущества включают, прежде всего, простоту конструкции, простоту в эксплуатации и низкую цену покупки и обслуживания. Асинхронные двигатели имеют хорошие параметры движения, и их характеристики могут быть сформированы путем изменения питания и сопротивления обмоток машины, что достигается путем подключения соответствующих внешних элементов. Электронные, полупроводниковые системы управления позволяют осуществлять плавный пуск и торможение асинхронных двигателей.
Также легко настроить мощность и скорость этого типа двигателя. К сожалению, асинхронные двигатели также имеют недостатки. Самой большой из них является необходимость обеспечения индуктивной реактивной мощности, которая влияет на увеличение потерь мощности в линиях электропередачи и заметные падения напряжения, видимые особенно во время запуска.
Асинхронные двигатели, с точки зрения источника питания, могут быть разделены на одно, двух и трехфазные, наиболее популярными в отрасли являются последние. В небольших двигателях используется двух- или однофазное питание.
СИНХРОННЫЕ МОТОРЫ
Основными задачами электродвигателя являются преобразование электричества в механическую энергию. Как и в большинстве электрических машин, возможен обратный процесс в двигателе (так называемый принцип обратимости работы), т. е. Преобразование механической энергии в электричество. Однако это свойство редко используется в промышленной практике.
Сегодняшние электродвигатели могут быть разделены по-разному. Самое простое разделение связано с типом питания, то есть на двигатели постоянного и переменного тока. .
Однако, с точки зрения систем привода, наиболее важным является разделение двигателей по их конструкции и принципу работы. В случае машин переменного тока имеются три основные группы двигателей: синхронные машины, асинхронные и машины переменного тока.
Наиболее многочисленной группой двигателей, представленных в системах промышленной автоматизации, являются синхронные и асинхронные двигатели с переменного тока. Синхронные электродвигатели отличаются от асинхронных двигателей конструкцией ротора, который дополнительно оснащен электромагнитами или постоянными магнитами.
Синхронный двигатель представляет собой электрическую машину, питаемую переменным током, в котором ротор в устойчивом состоянии вращается с той же угловой скоростью, что и магнитное поле, которое его активирует. Важно отметить, что скорость синхронного двигателя всегда постоянна и не зависит от нагрузки и напряжения питания.
Перевод электродвигателей с коллекторного узла управления на полупроводниковые устройства контроля позволил оптимизировать силовые агрегаты. Модернизация затронула и мощностные параметры, и конструкционные характеристики. Наиболее выраженным отличием стало уменьшение габаритов, что позволило использовать такие агрегаты в небольших по размерам приборах и установках. Типичным примером реализации бесколлекторного привода является вентильный двигатель, работающий в условиях постоянного тока. Он обеспечивает существенные технико-экономические преимущества в процессе эксплуатации, но не избавлен и от недостатков.
Конструкция и устройство двигателя
Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами - непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка. Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна. Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.
Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя - в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.
Система управления
Если электромеханическая часть состоит преимущественно из трех компонентов, в числе которых ротор, статор и несущая конструкция в виде корпуса, то управляющая инфраструктура более сегментирована - количество элементов может достигать нескольких десятков. Другое дело, что их можно поделить на виды. В единственном числе будет представлен только инвертор. Он отвечает за функции коммутации, осуществляя подключение и переключение фаз. Основные же задачи контроля с подачей сигналов выполняют датчики. Главным из них является детектор положения ротора. Кроме этого, в состав управляющего блока вводится и система регуляции сигналов. Это узел с ключами, посредством которого реализуется связь датчиков и электромеханической начинки.
Информацию о позиции ротора обрабатывает микропроцессор. Внешне интерфейс этого блока представляет собой панель управления. На приеме она работает с сигналами широтно-импульсной модуляции (ШИМ-сигнал). Если предусматривается подача низковольтных сигналов, то в управляющем блоке устанавливается и транзисторный мост. Он преобразует сигнал в силовое напряжение, которое в дальнейшем подается на электродвигатель. Наличие датчиков с системой обработки импульсов как раз и отличает управление вентильным двигателем от средств контроля щеточно-коллекторных агрегатов. Другое дело, что возможность внедрения электронной аппаратуры с датчиками допускается и в коллекторных машинах наряду с механическими системами управления.
Принцип работы
Вентильный электродвигатель в процессе работы создает индукцию магнитных полюсов через ротор. На фоне генерации электромагнитного воздействия формируется сопротивление. Иными словами, активизируется функция ротора, после чего он передает крутящий момент целевому агрегату. В условиях переменной скорости магнетизм может быть оптимизирован для более производительной работы с реверсом. Опять же, датчик положения ротора сообщает данные для регуляции в соответствии с фазами напряжения. Гибкость и оперативность настройки параметров ротора и количества фаз позволяет эффективнее регулировать работу механизма. Весь цикл демонстрирует процесс преобразования электроэнергии в физическую мощь (механическая энергия), которую вырабатывает генератор. Причем если резко отсоединить агрегат от сети, то преобразуемая в данный момент энергия будет возвращена статору.
Важным условием поддержания достаточной производительности является стабильность двигателя. Критерием оценки этой характеристики будет его плавность, достигаемая понижением пульсаций. Для этого нужно знать вектор вращения потока статора, чтобы он был синхронен с функцией ротора. Координация разных потоков вращения как раз и достигается взаимодействием датчиков и коммутатора, которым управляются вентильные двигатели. Принцип работы этой связки позволяет с высокой точностью определять, к какой фазе нужно подключать ротор, определяя также оси. В нужной последовательности панель управления через микропроцессор попеременно подключает и отключает разные фазы.
Особенности синхронных моделей
Вышеописанный принцип работы как раз иллюстрирует работу синхронного двигателя. То есть в нем реализуется взаимодействие полюсов индуктора и статорного магнитного поля. Но и в таких системах могут быть свои различия. Например, и синхронный, и асинхронный двигатель могут оснащаться электромагнитами. В случае с синхронными агрегатами такого типа ток будет направляться на ротор, минуя контакт щетка-кольцо. Постоянные же магниты применяются в двигателях, базирующихся на жестких дисках. Также существуют и обращенные конструкции. В них якорные потоки находятся на роторе, а индукция - на статоре.
Для включения синхронного двигателя требуется высокий разгон по частоте, чтобы появилась возможность подстройки вращения двух функциональных компонентов. В конструкциях, где индуктор находится на статоре, поле ротора остается неподвижным относительно якоря. И напротив, если устройство предполагает обратную конструкцию, то «ввод в синхронизацию» будет осуществляться через ожидание статора. Момент ожидания зависит от того, с какой нагрузкой работает вентильный двигатель, и какая частота является оптимальной для активизации его индуктора.
Особенности асинхронных агрегатов
В асинхронных двигателях ротор не вращается в противоположном направлении. Его нельзя назвать обратным синхронному агрегату с точки зрения взаимодействия магнитных потоков ротора и статора. И синхронный, и асинхронный двигатель предполагают следование одного поля за другим. Другое дело, что во втором случае ротор, к примеру, может быть «догоняющим». Он следует за генерацией индукционного момента.
В стандартной конструкции статор генерирует электромагнитное поле, заставляя через определенное время вращаться и ротор. Принципиальным отличием между двумя типами двигателей является и то, что индуктор не является генератором возбуждения магнитного поля ротора. Поэтому вентильный электродвигатель асинхронного типа может автономно заставлять вращаться ротор с определенной частотой от обмотки статора. Это вовсе не значит, что два механизма работают отдельно, но их функции не так тесно взаимосвязаны, как в случае с синхронными двигателями. Это же касается и скорости. Например, если в синхронном агрегате будет частота вращения на 3000 об./мин для индуктора и ротора, то асинхронный принцип работы для того же ротора может снизить эту величину до 2910 об./мин.
Вентильно-индукторный двигатель
Можно сказать, что все вентильные электромоторы являются индукторными. В той или иной степени принцип индукции закладывается в синхронный и асинхронный агрегаты. Но есть также модели, в которых индукция способствует самонамагничиванию. Иначе эту машину можно назвать самовозбуждающейся. В традиционном исполнении вентильно-индукторный двигатель этого типа имеет простую конструкцию, питается от однополярных импульсов тока и работает с теми же датчиками ротора. Однако из-за нюансов энергоснабжения его нельзя подключать напрямую к сети. В итоге требуется введение в инфраструктуру специальных преобразователей.
С другой стороны, в данной конструкции присутствуют практически все достоинства синхронных агрегатов. Самым явным из них является широкий спектр частот вращения. Например, вентильно-реактивный двигатель с возможностью самовозбуждения способен выдавать порядка 100 тыс. оборотов. Это уже быстроходные электродвигатели, для которых используются комплектующие высокой степени прочности.
Разновидности агрегатов по количеству фаз
Простейшее исполнение такого электродвигателя - это однофазные агрегаты, которые предусматривают минимальное количество контактов между электронной аппаратурой и механикой. Соответственно, отсюда вытекают и слабые места конструкции, среди которых ограничения в положении ротора и сильные пульсации. Двухфазные модели способны формировать воздушный зазор, а также при определенных условиях обеспечивать асимметрию полюсов. Опять же, такие машины грешат высокой степенью пульсации, однако их можно использовать в тех случаях, когда связка статора с обмоткой является обязательным условием. Трехфазный вентильный двигатель характеризуется сочетанием невысокой скорости, но хорошей силовой отдачей. Поэтому его чаще используют как в сборке бытовых приборов, так и в изготовлении промышленной техники. Также существуют четырех- и шестифазные модели вентильных электромоторов, но это уже сегменты специализированных установок, которые дорого стоят и обладают крупными габаритами.
Преимущества электродвигателей
Благодаря конструкционной оптимизации вентильная силовая техника обеспечивает множество эксплуатационных преимуществ. В их числе стоит отметить быстродействие, гибкость в настройке, точность определения позиции ротора (с помощью датчика), широкие возможности технической подстройки и т.д. При скромных энергозатратах можно получить высокую силовую отдачу. Что еще важно, вентильный электродвигатель задействует небольшой ресурс механического действия, а это благоприятно сказывается и на его сроке эксплуатации. Низкий уровень термического воздействия на элементную базу обуславливает отсутствие перегревов, поэтому детали лишь в редких случаях требуют замены по причине износа.
Недостатки электродвигателя
Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором. Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники. Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления. Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.
Заключение
Концепция использования электроники в составе традиционных роторных двигателей не всегда оправдывается в процессе эксплуатации. Связано это со сферами применения такого оснащения. Чаще всего это традиционные области производства, где совсем не обязательно подключение электронных систем управления. Инновационная начинка заставляет пересматривать производственные циклы, точечно модернизируя технологические процессы. К тому же стоимость двигателя, которая варьируется от 15 до 20 тыс. руб., не добавляет привлекательности этой продукции. Обычные аналоги на контроллерах с электромеханическими реле обходятся дешевле, не говоря о том, что их легче интегрировать в процессе сборки продукции.
И все же появляются направления, в которых высоко ценится именно полупроводниковое управление с датчиками роторов. Как правило, это высокотехнологичное оборудование, выпуском которого занимаются крупные компании. Причем на выходе они предоставляют продукцию разного уровня, в том числе и для бытового применения.
Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора. Последний у синхронного двигателя представляет собой магнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, то вращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит, увлекает за собой магнитный ротор, причем их скорости равны. Это объясняет название двигателя - синхронный.
В заключение отметим, что в отличие от асинхронного двигателя, у которого обычно не превышает 0,8…0,85, у синхронного двигателя можно добиться большего значения и сделать даже так, что ток будет опережать напряжение по фазе. В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используется для повышения коэффициента мощности.
Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Недостатком асинхронных двигателей является трудность регулирования их частоты вращения.
Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, то есть поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.
Т.е это достаточно дешевый двигатель, который применяется везде, синхронную машину найти крайне тяжело.
В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы) ими легко управлять.
Отличить можно по кол-ву оборотов на табличке (если там явно не указан тип машины), у асинхронного не круглое число оборотов, 950 об/мин у синхронной машины 1000 об/мин.
Синхронные двигатели управляются также сложно как и асинхронные, т.к. требуют управления частотой подводимого напряжения. Они имеют абсолютно жесткую механическую характеристику, это означает, что как бы не менялась нагрузка на валу двигателя, он будет иметь одну и ту же частоту вращения. Естественно, нагрузка должна меняться в разумных пределах, есть значение критического момента нагрузки, при котором двигатель "выпадает" из синхронного режима, что чревато его поломкой. К основным недостаткам относится то, что обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, также наличие скользящего контакта "щетка-контактное кольцо", сложность пуска.
Чаще всего синхронные машины используют в качестве генераторов, вообще подавляющее большинство генераторов - синхронные, начиная с тех, которые устанавливаютс на автомобилях, и заканчивая теми, которые стоят на АЭС. Из всех других они наиболее надежны, имеют наибольший КПД, проще других в обслуживании.
КПД машины не зависит от косинуса фи электрической машины. КПД зависит восновном только от потерь в обмотке (потери в меди), в магнитопроводе (потери в стали), механических потерь и дополнительных потерь. Также КПД машины зависит от ее нагрузки, при этом максимум (КПД) наблюдается в точке, когда потери в стали и в меди равны, как правило это наблюдается, когда нагрузка составляет 75-80% от номинальной мощности машины.
Учитывая особенности производства электрических машин имеем что с ростом мощности выпущенной машины, потери растут не пропорционально, поэтому мощные электрические машины могут иметь КПД достигающий 99%.
Электрические двигатели давно и прочно заняли лидирующие позиции среди силовых агрегатов различного типа оборудования. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками.
Электродвигатели – это силовые агрегаты, способные превращать электрическую энергию в механическую. Различают два их основных вида: двигатели переменного и постоянного тока. Разница между ними, как понятно из названия, заключается в типе питающего тока. В данной статье речь пойдет о первом виде – электродвигателе переменного тока
Устройство и принцип работы
Основная движущая сила любого электрического двигателя – электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция, если описать ее в двух словах – это появление силы тока в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Источником переменного магнитного поля является неподвижный корпус двигателя с размещенными на нем обмотками – статор, подключенный к источнику переменного тока. В нем расположен подвижный элемент – ротор, в котором и возникает ток. По закону Ампера на заряженный проводник, помещенный в магнитное поле, начинает действовать электродвижущая сила – ЭДС, которая вращает вал ротора. Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.
Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Разница между ними в том, что в первых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной скоростью, а во вторых ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Отличаются они и по устройству, и по принципу работы.
Асинхронный двигатель
На статоре асинхронного двигателя закреплены обмотки, создающие переменное вращающееся магнитное поле, концы которой выводятся на клеммную коробку. Поскольку при работе двигатель нагревается, на его валу устанавливается вентилятор системы охлаждения.
Ротор асинхронного двигателя выполнен с валом как одно целое. Он представляет собой металлические стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор еще именуется короткозамкнутым. Своим видом он напоминает клетку, поэтому его часто называют «беличьим колесом» Более медленное вращение ротора в сравнении с вращением магнитного поля – результат потери мощности при трении подшипников. Кстати, если бы не было этой разницы в скорости, ЭДС бы не возникала, а без нее не было бы и тока в роторе и самого вращения.
Магнитное поле вращается за счет постоянной смены полюсов. При этом соответственно меняется направление тока в обмотках. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от числа полюсов магнитного поля.
Синхронный двигатель
Устройство синхронного двигателя
Устройство синхронного электродвигателя немного отличается. Как понятно из названия, в этом двигателе ротор вращается с одной скоростью с магнитным полем. Он состоит из корпуса с закрепленными на нем обмотками и ротора или якоря, снабженного такими же обмотками. Концы обмоток выводятся и закрепляются на коллекторе. На коллектор или токосъемное кольцо подается напряжение посредством графитовых щеток. При этом концы обмоток размещены таким образом, что одновременно напряжение может подаваться только на одну пару.
В отличие от асинхронных на ротор синхронных двигателей напряжение подается щетками, заряжая его обмотки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках ротора меняется параллельно с изменением направления магнитного поля, поэтому выходной вал всегда вращается в одну сторону. Синхронные электродвигатели позволяют регулировать скорость вращения вала путем изменения значения напряжения. На практике для этого обычно используются реостаты.
Краткая история создания
Впервые возможность превратить электричество в механическую энергию открыл британский ученый М.Фарадей еще в 1821 году. Его опыт с проводом, помещенным в ванну с ртутью, оснащенной магнитом, показал, что при подключении провода к источнику электроэнергии он начинает вращаться. Этот нехитрый опыт наверняка многие помнят по школе, правда, ртуть там заменяется безопасным рассолом. Следующим шагом в изучении этого феномена было создание униполярного двигателя – колеса Барлоу. Никакого полезного применения он так и не нашел, зато наглядно демонстрировал поведение заряженного проводника в магнитном поле.
На заре истории электродвигателей ученые пытались создать модель с сердечником, двигающимся в магнитном поле не по кругу, а возвратно-поступательно. Такой вариант был предложен, как альтернатива поршневым двигателям. Электродвигатель в привычном для нас виде впервые был создан в 1834 году русским ученым Б.С. Якоби. Именно он предложил идею использования вращающегося в магнитном поле якоря, и даже создал первый рабочий образец.
Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей. Этот русский ученый не только описал принцип действия трехфазного электродвигателя, но и изучал различные типы соединений фаз (треугольник и звезда), возможность использование разных напряжений тока. Именно он изобрел пусковые реостаты, трехфазные трансформаторы, разработал схемы подключения двигателей и генераторов.
Особенности электродвигателя переменного тока, его достоинства и недостатки
На сегодня электродвигатели являются одними из самых распространенных видов силовых установок, и тому есть немало причин. У них высокий КПД порядка 90%, а иногда и выше, довольно низкая себестоимость и простая конструкция, они не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации, дают возможность плавно менять скорость во время работы без использования дополнительных механизмов типа коробки передач, надежны и долговечны.
Среди недостатков всех типов электромоторов — отсутствие высокоемкостного аккумулятора электроэнергии для автономной работы.
Основное отличие электродвигателя переменного тока от его ближайшего родственника – электродвигателя постоянного тока – заключается в том, что первый питается переменным током. Если сравнивать их функциональные возможности, первый менее мощный, у него сложно регулировать скорость в широком диапазоне, он имеет меньший КПД.
Если же сравнивать асинхронный и синхронный электродвигатель переменного тока, то первый имеет более простую конструкцию и лишен «слабого звена» — графитовых щеток. Именно они обычно первыми выходят из строя при поломке синхронных двигателей. Вместе с тем, у него сложно получить и регулировать постоянную скорость, которая зависит от нагрузки. Синхронные двигатели позволяют регулировать скорость вращения с помощью реостатов.
Сфера применения
Электродвигатели переменного тока широко используются практически во всех сферах. Ими оснащаются электростанции, их используют в автомобиле- и машиностроении, есть они и в домашней бытовой технике. Простота их конструкции, надежность, долговечность и высокий показатель КПД делает их практически универсальными.
Асинхронные двигатели нашли применение в приводных системах различных станков, машин, центрифуг, вентиляторов, компрессоров, а также бытовых приборов. Трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее распространенными и востребованными. Синхронные двигатели используются не только в качестве силовых агрегатов, но и генераторов, а также для привода крупных установок, где важно контролировать скорость.
Схема подключения электродвигателя к сети
Электродвигатели переменного тока бывают трех и однофазные.
Асинхронные однофазные двигатели имеют на корпусе 2 вывода и подключить их к сети не составляет трудности. Т.к. вся бытовая электрическая сеть в основном однофазная 220В и имеет 2 провода — фаза и ноль. С синхронными все намного интереснее, их тоже можно подключить с помощью 2 проводов, достаточно обмотки ротора и статора соединить. Но соединять их нужно так, чтобы обмотки однополюсного намагничивания ротора и статора располагались напротив друг друга.
Сложности представляют двигатели для 3ех фазной сети. Ну во-первых у таких двигателей в основном в клеммной коробке 6 выводов и это означает что обмотки двигателя нужно подключать самому, а во-вторых их обмотки можно подключать разными способами — по типу «звезда» и «треугольник». Ниже приведен рисунок соединения клем в клеммной коробке, в зависимости от типа соединения обмоток. 
Подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.
Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).
Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом ЯР, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление R добав.