Устройство электродвигателя переменного тока

Электрические двигатели – это силовые машины, применяющиеся для превращения электрической энергии в механическую. Общая классификация разделяет их по типу питающего тока на двигатели постоянного и переменного тока. В статье ниже рассматриваются электрические двигатели со спецификацией под переменный ток, их виды, отличительные характеристики и преимущества.

Для общей информации, рекомендуем прочитать нашу отдельную статью о принципах работы электродвигателей.

Принцип преобразования энергии

Среди электрических двигателей, применяемых во всех отраслях промышленности и бытовых электроприборах, наибольшее распространение имеют двигатели переменного тока. Они встречаются практически в каждой сфере жизнедеятельности – от детских игрушек и стиральных машин до автомобилей и мощных производственных станков.

Принцип работы всех электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея и законе Ампера. Первый из них описывает ситуацию, когда на замкнутом проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле, генерируется электродвижущая сила. В двигателях это поле создается через обмотки статора, по которым протекает переменный ток. Внутри статора (представляющего собой корпус устройства) находится подвижный элемент двигателя – ротор. На нем и возникает ток.

Вращение ротора объясняется законом Ампера, который утверждает, что на электрические заряды, протекающие по проводнику, находящемуся внутри магнитного поля, действует сила, движущая их в плоскости, перпендикулярной силовым линиям этого поля. Проще говоря, проводник, которым в конструкции двигателя является ротор, начинает вращаться вокруг своей оси, а закрепляется он на валу, к которому подключаются рабочие механизмы оборудования.

Виды двигателей и их устройство

Электрические двигатели переменного тока имеют различное устройство, благодаря которому можно создавать машины с одинаковой частотой вращения ротора относительно магнитного поля статора, и такие машины, где ротор «отстает» от вращающегося поля. По данному принципу эти двигатели разделяют на соответствующие типы: синхронные и асинхронные.

Асинхронные

Основу конструкции асинхронного электродвигателя составляет пара важнейших функциональных частей:

1. Статор – блок цилиндрической формы, сделанный из листов стали с пазанми для укладки токопроводящих обмоток, оси которых располагаются под углом 120˚ относительно друг друга. Полюса обмоток уходят на клеммную коробку, где подключаются разными способами, в зависимости от необходимых параметров работы электродвигателя.
2. Ротор. В конструкции асинхронных электродвигателей используются роторы двух видов:
   • Короткозамкнутый. Называется так, потому что изготавливается из нескольких алюминиевых или медных стержней, накоротко замкнутых с помощью торцевых колец. Эта конструкция, представляющая собой токоповодящую обмотку ротора, называется в электромеханике «беличьей клеткой».
   • Фазный. На роторах данного типа устанавливается трехфазная обмотка, похожая на обмотку статора. Чаще всего концы её проводников идут в клеммную площадку, где соединяются «звездой», а свободные концы подключаются к контактным кольцам. Фазный ротор позволяет с помощью щеток добавить в цепь обмотки добавочный резистор, позволяющий изменять сопротивление для уменьшения пусковых токов.

Помимо описанных ключевых элементов асинхронного электродвигателя, в его конструкцию также входит вентилятор для охлаждения обмоток, клеммная коробка и вал, передающий генерируемое вращение на рабочие механизмы оборудования, работа которого обеспечивается данным двигателем.

Работа асинхронных электрических двигателей основывается на законе электромагнитной индукции, утверждающем, что электродвижущая сила может возникнуть лишь в условиях разности скоростей вращения ротора и магнитного поля статора. Таким образом, если бы эти скорости были равны, ЭДС не могла бы появиться, но воздействие на вал таких «тормозящих» факторов, как нагрузка и трение подшипников, всегда создает достаточные для работы условия.

Синхронные

Конструкция синхронных электродвигателей переменного тока несколько отлична от устройства асинхронных аналогов. В этих машинах ротор крутится вокруг своей оси со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора. Ротор или якорь этих устройств тоже оснащается обмотками, которые одними концами подключены друг к другу, а другими – к вращающемуся коллектору. Контактные площадки на коллекторе смонтированы так, что в определенный момент времени возможна подача питания через графитовые щетки лишь на два противоположных контакта.

Принцип работы синхронных электродвигателей:

1. При взаимодействии магнитного потока в обмотке статора с током ротора возникает вращающий момент.
2. Направление движения магнитного потока изменяется одновременно с направлением переменного тока, благодаря чему сохраняется вращение выходного вала в одну сторону.
3. Настройка нужной частоты вращения осуществляется регулировкой входящего напряжения. Чаще всего, в быстроходном оборудовании, например, перфораторах и пылесосах, эту функцию выполняет реостат.

Чаще всего причинами выхода синхронных электродвигателей из строя является:

• износ графитовых щеток или ослабление прижимной пружины;
• износ подшипников вала;
• загрязнение коллектора (чистится наждачной бумагой или спиртом).

История изобретения

Изобретение простейшего способа преобразования энергии из электрической в механическую принадлежит Майклу Фарадею. В 1821 году этот великий английский ученый провел эксперимент с проводником, опущенным в сосуд с ртутью, на дне которого лежал постоянный магнит. После подачи электричества на проводник он приходил в движение, вращаясь соответственно силовым линиями магнитного поля. В наши дни этот опыт часто проводят на уроках физики, заменяя ртуть рассолом.

Дальнейшее изучение вопроса привело к созданию Питером Барлоу в 1824 году униполярного двигателя, названного колесом Барлоу. В его конструкцию входят два зубчатых колеса из меди, расположенных на одной оси между постоянными магнитами. После подачи тока на колеса, в результате его взаимодействия с магнитными полями, колеса начинают вращаться. Во время опытов ученый установил, что направление вращения можно изменить, поменяв полярность (перестановкой магнитов или контактов). Практического применения «колесо Барлоу», но сыграло важную роль в изучении взаимодействия магнитных полей и заряженных проводников.

Первый рабочий образец устройства, ставшего прародителем современных двигателей, был создан русским физиком Борисом Семеновичем Якоби в 1834 году. Принцип использования вращающегося ротора в магнитном поле, продемонстрированный в этом изобретении, практически в неизменном виде применяется современных двигателях постоянного тока.

А вот создание первого двигателя с асинхронным принципом работы принадлежит сразу двум ученым – Николе Тесла и Галилео Феррарис, по удачному стечению обстоятельств продемонстрировавшим свои изобретения в один год (1888). Через несколько лет двухфазный бесколлекторный двигатель переменного тока, созданный Николой Тесла уже использовался на нескольких электростанциях. В 1889 году русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский усовершенствовал изобретение Теслы для работы в трехфазной сети, благодаря чему смог создать первый асинхронный двигатель переменного тока мощностью более 100 Вт. Ему же принадлежит изобретение используемых сегодня способов подключения фаз в трехфазных электродвигателях: «звезда» и «треугольник», пусковых реостатов и трехфазных трансформаторов.

Подключение к однофазным и трехфазным источникам питания

По типу питающей сети электродвигатели переменного тока классифицируют на одно- и трехфазные.

Подключение асинхронных однофазных двигателей осуществляет очень легко – для этого достаточно подвести к двум выходам на корпусе фазный и нулевой провод однофазной 220В сети. Синхронные двигатели тоже можно запитывать от сети данного типа, однако подключение немного сложнее – необходимо соединить обмотки ротора и статора так, чтобы их контакты однополюсного намагничивания были расположены напротив друг друга.

Подключение к трехфазной сети представляется несколько более сложным. В первую очередь, следует обратить внимание, что клеммная коробка содержит 6 выводов – по паре на каждую из трех обмоток. Во-вторых, это дает возможность использовать один из двух способов подключения («звезда» и «треугольник»). Неправильное подключение может привести в поломке двигатель от расплавления обмоток статора.

Главное функциональное отличие «звезды» и «треугольника» заключается в различном потреблении мощности, что сделано для возможности включения машины в трехфазные сети с различным линейным напряжением — 380В или 660В. В первом случае следует соединять обмотки по схеме «треугольник», а во втором – «звездой». Такое правило включения позволяет в обоих случаях иметь напряжение 380В на обмотках каждой фазы.

На панели подключения выводы обмоток располагаются таким образом, чтобы перемычки, используемых для включения, не перекрещивались между собой. Если коробка выводов двигателя содержит только три зажима, значит, он рассчитан для работы от одного напряжения, которое указано в технической документации, а обмотки соединены между собой внутри устройства.

Преимущества и недостатки электрических двигателей переменного тока

В наши дни среди всех электродвигателей устройства для переменного тока занимают лидирующую позицию по объему использования в силовых установках. Они обладают низкой себестоимостью, простой в обслуживании конструкцией и КПД не менее 90%. Кроме того, их устройство позволяет плавно изменять скорость вращения, не прибегая к помощи дополнительного оборудования вроде коробок передач.

Главным недостатком двигателей переменного тока с асинхронным принципом работы является тот факт, что регулировать их частоту вращения вала можно только изменяя входную частоту тока. Это не позволяет добиться постоянной скорости вращения, а также снижает мощность. Для асинхронных электродвигателей характерны высокие пусковые токи, но низкий пусковой момент. Для исправления этих недостатков применяется частотный привод, однако его цена противоречит одному из главных достоинств этих двигателей – низкой себестоимости.

Слабым местом синхронного двигателя является его сложная конструкция. Графитовые щетки довольно быстро выходят из строя под нагрузкой, а также теряют плотный контакт с коллектором из-за ослабления прижимной пружины. Кроме того, эти двигатели, как и асинхронные аналоги, не защищены от износа подшипников вала. К недостаткам также относится более сложный пуск, необходимость наличия источника постоянного тока и исключительно частотная регулировка частоты вращения.

Применение

На сегодняшний день электродвигатели со спецификацией на переменный ток распространены во всех сферах промышленности и жизнедеятельности. На электростанциях они устанавливаются в качестве генераторов, используются в производственном оборудовании, автомобилестроении и даже бытовой технике. Сегодня в каждом доме можно встретить как минимум одно устройство с электрическим двигателем переменного тока, например, стиральную машину. Причины столь большой популярности заключаются в универсальности, долговечности и легкости обслуживания.

Среди асинхронных электрических машин наибольшее распространение получили устройства с трехфазной спецификацией. Они являются наилучшим вариантом для использования во многих силовых агрегатах, генераторах и высокомощных установках, работа которых связана с необходимостью контроля скорости вращения вала.

Машины переменного тока: устройство, принцип работы, применение

Электрические машины выполняют ответственную функцию преобразования энергии в рабочих механизмах и генераторных станциях. Такие устройства находят свое место в разных областях, снабжая исполнительные органы достаточным силовым потенциалом. Одну из самых востребованных систем данного типа представляют машины переменного тока (МПТ), которые имеют несколько разновидностей и отличий внутри своего класса.

Общие сведения об МПТ

Сегмент МПТ или электромеханических преобразователей можно условно разделить на однофазные и трехфазные системы. Также на базовом уровне выделяют асинхронные, синхронные и коллекторные устройства, при этом общий принцип действия и конструкционное исполнение у них имеет много схожего. Данная классификация машин переменного тока носит условный характер, поскольку современные станции электромеханического преобразования частично задействуют рабочие процессы от каждой группы устройств.

Как правило, в основе МПТ находится статор и ротор, между которыми предусматривается воздушный зазор. Опять же, независимо от типа машины, рабочий цикл строится на вращении магнитного поля. Но если в синхронной установке движение ротора соответствует направлению силового поля, то в асинхронной машине ротор может двигаться в другом направлении и с разными частотами. Это различие обуславливает и особенности применения машин. Так, если синхронные могут выступать и в качестве генератора, и как электромеханический двигатель, то асинхронные в основном используют как двигатели.

Что касается количества фаз, то выделяют одно- и многофазные системы. Причем, с точки зрения практического использования, заслуживают внимание представители второй категории. Это по большей части трехфазные машины переменного тока, в которых функцию энергоносителя как раз выполняет магнитное поле. Однофазные же устройства ввиду эксплуатационной непрактичности и крупных размеров постепенно выходят из практики применения, хотя в некоторых сферах решающим фактором их выбора является низкая стоимость.

Отличия от машин постоянного тока

Принципиальная конструкционная разница заключается в расположении обмотки. В системах переменного тока она охватывает статор, а в машинах постоянного тока – ротор. В обеих группах электродвигатели различаются по типу возбуждения тока – смешанные, параллельные и последовательные. Сегодня машины переменного и постоянного тока используются в промышленности, сельском хозяйстве и в бытовой сфере, однако первый вариант более привлекателен по своим эксплуатационным качествам. Генераторы и двигатели переменного тока выигрывают за счет более технологичной конструкции, надежности и высокой энергетической отдачи.

Применение устройств, работающих на постоянном токе, распространено в сферах, где на первый план выходят требования к точности регулирования рабочих параметров. Это могут быть тяговые механизмы транспорта, обрабатывающие станки и сложные измерительные приборы. В плане производительности машины постоянного и переменного тока имеют высокий КПД, но с разными возможностями технико-конструкционной подстройки под конкретные условия применения. Работа с постоянным током дает больше возможностей для управления частотой вращения, что важно при обслуживании серводвигателей и шаговых моторов.

Устройство асинхронной МПТ

Для технической основы данного устройства в виде ротора и статора используется листовая сталь, которую перед сборкой покрывают изоляционным масляно-канифольным слоем с обеих сторон. В машинах малой мощности сердечник может выполняться из электрической стали без дополнительного покрытия, поскольку изолятором в данном случае выступает естественный оксидный слой на металлической поверхности. Статор фиксируется в корпусе, а ротор на валу. В асинхронных машинах переменного тока большой мощности сердечник ротора может крепиться и на ободе корпуса втулкой, насаженной на вал. Непосредственно вал должен вращаться на подшипниковых щитах, которые также фиксируются к основе корпуса.

Внешние поверхности ротора и внутренние поверхности статора изначально обеспечиваются пазами для размещения проводников обмотки. У статора машин переменного тока обмотка чаще выполняется трехфазной и подключается к соответствующей сети на 380 В. Ее также называют первичной. Аналогично выполняется и обмотка ротора, окончания которой обычно формируют соединение в конфигурации звезды. Предусматриваются и контактные кольца, через которые дополнительно может подключаться реостат для регулировки или трехфазный пусковой элемент.

Важно отметить и параметры воздушного зазора, который выполняет функцию демпферной зоны, снижающей шум, вибрации и нагрев при работе устройства. Чем габаритнее машина, тем больше должен быть зазор. Его величина может варьироваться от одного до нескольких миллиметров. Если конструкционно невозможно оставить достаточно места для воздушной зоны, то предусматривается система дополнительного охлаждения установки.

Принцип работы асинхронной МПТ

Трехфазную обмотку в данном случае подключают к симметричной сети с трехфазным напряжением, в результате чего в воздушном зазоре формируется магнитное поле. Относительно обмотки якоря принимаются специальные меры для достижения гармонического пространственного распределения поля для демпферного зазора, что образует систему вращающихся магнитных полюсов. Согласно принципу действия машины переменного тока, на каждом полюсе формируется магнитный поток, который пересекает контуры обмотки, тем самым провоцируя генерацию электродвижущей силы. В трехфазной обмотке индуцируется трехфазный ток, обеспечивающий вращающий момент двигателя. На фоне взаимодействия тока ротора с магнитными потоками происходит формирование электромагнитной силы на проводниках.

Если ротор под действием внешней силы приводится в движение, направление которого соответствует направлению потоков магнитного поля машины переменного тока, то ротор начнет обгонять темпы вращения поля. Это происходит в тех случаях, когда частота вращения статора превосходит номинальную синхронную частоту. В то же время будет изменено направление движения электромагнитных сил. Таким образом формируется тормозящий момент с обратным действием. Данный принцип работы позволяет использовать машину и в качестве генератора, работающего в режиме отдачи активной мощности в сеть.

Устройство и принцип действия синхронных МПТ

В части исполнения и расположения статора синхронная машина похожа на асинхронную. Обмотка называется якорем и выполняется с тем же количеством полюсов, как и в предыдущем случае. У ротора предусматривается обмотка возбуждения, энергетическое снабжение которой обеспечивают контактные кольца и щетки, подключенные к источнику постоянного тока. Под источником подразумевается маломощный генератор-возбудитель, устанавливаемый на одном валу. В синхронной машине переменного тока обмотка выполняет функцию генератора первичного магнитного поля. В процессе проектирования конструкторы стремятся создавать условия для того, чтобы индукционное распределение поля возбуждения на поверхностях статора было как можно ближе к синусоидальному.

При повышенных нагрузках обмотка статора формирует магнитное поле с вращением в направлении ротора с аналогичной частотой. Таким образом образуется единое поле вращения, при котором поле статора будет оказывать воздействие на ротор. Данное устройство машин переменного тока позволяет их использовать как электродвигатели, если изначально обеспечивается подводка трехфазного тока к синхронной обмотке. Такие системы создают условия для координированного вращения ротора с частотой, соответствующей полю статора.

Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины

Главным отличием явнополюсных систем является присутствие в конструкции выступающих полюсов, которые крепятся к специальным выступам вала. В типовых механизмах фиксация выполняется с помощью Т-образных хвостовых крепежей к ободу крестовины или валу через втулку. В устройстве машин переменного тока малой мощности эта же задача может решаться болтовыми соединениями. В качестве материала обмотки используется полосовая медь, которую наматывают на ребро, изолируя специальными прокладками. В наконечниках с полюсами в пазах размещаются стержни обмотки для пуска. В этом случае применяется материал с высоким удельным сопротивлением наподобие латуни. Контуры обмотки по торцам приваривают к короткозамыкающим элементам, образуя общие кольца для короткого замыкания. Явнополюсные машины с силовым потенциалом на 10-12 кВт могут выполняться в так называемой обращенной конструкции, когда якорь вращается, а полюса индуктора сохраняют неподвижное состояние.

У неявнополюсных машин конструкция базируется на цилиндрическом роторе, выполняемом из стальной поковки. В роторе присутствуют пазы для формирования обмотки возбуждения, полюса которой рассчитываются на высокие частоты вращения. Однако применение такой обмотки в электрических машинах с переменным током большой мощности невозможно из-за высокой степени износа ротора в жестких условиях эксплуатации. По этой причине даже в установках средней мощности для роторов применяют высокопрочные компоненты из цельных поковок на основе хромоникельмолибденовых или хромоникелевых сталей. В соответствии с техническими требованиями к прочности, максимальный диаметр рабочей части у ротора неявнополюсной синхронной машины не может быть выше 125 см. Это объясняет необычный форм-фактор ротора с удлиненным корпусом, хотя и по данному параметру есть ограничения, связанные с увеличением вибраций у слишком длинных элементов. Предельная длина ротора составляет 8,5 м. К неявнополюсным агрегатам, которые используются в промышленности, можно отнести различные турбогенераторы. С их помощью, в частности, связывают рабочие моменты паровых турбин с тепловыми энергостанциями.

Особенности вертикальных гидрогенераторов

Отдельный класс явнополюсных синхронных МПТ, обеспеченных вертикальным валом. Такие установки подключаются к гидравлическим турбинам и подбираются под мощности обслуживаемых потоков по частоте вращения. Большинство машин переменного тока данного типа являются тихоходными, но при этом имеют большое количество полюсов. Среди ответственных рабочих компонентов вертикального гидрогенератора можно отметить упорный подшипник и подпятник, на который приходится нагрузка от вращающихся частей движка. На подпятник, в частности, накладывается и давление от потоков воды, которая действует на турбинные лопасти. Кроме того, для остановки вращения предусматривается тормоз, а в рабочей структуре также присутствуют направляющие подшипники, воспринимающие радиальные усилия.

В верхней части машины наряду с гидрогенератором могут размещаться вспомогательные агрегаты – например, возбудитель генератора и регулятор. К слову, последний представляет собой самостоятельную машину переменного тока с обмоткой и полюсами на постоянных магнитов. Данная установка обеспечивает питание двигателя для обеспечения функции автоматического регулятора. В больших вертикальных гидрогенераторах возбудитель может заменяться синхронным генератором, который вместе с возбудительными узлами и ртутными выпрямителями обеспечивает энергоснабжение силовых устройств, обслуживающих рабочий процесс основного гидрогенератора. Конфигурация машины с вертикальным валом также используется в качестве приводного механизма мощных гидравлических насосов.

Коллекторные МПТ

Наличие коллекторного узла в конструкции МПТ зачастую обуславливается необходимостью выполнения функции преобразования частоты вращения в электрической связи разночастотных цепей на обмотках ротора и статора. Это решение позволяет наделять устройство дополнительными эксплуатационными свойствами, в числе которых автоматическая регуляция рабочих параметров. Коллекторные машины переменного тока, которые подключаются к трехфазным сетям, получают по три щеточных пальца в каждом сегменте двойного полюсного деления. Соединение щеток между собой выполняется по параллельной схеме перемычками. В этом смысле коллекторные МПТ похожи на электродвигатели с постоянным током, но отличаются от них количеством применяемых щеток на полюсах. Помимо этого, статор в данной системе может иметь несколько дополнительных обмоток.

Замкнутая обмотка якоря при использовании коллектора с трехфазными щетками будет представлять собой трехфазную комплексную обмотку с соединением в виде треугольника. В процессе вращения якоря каждая фаза обмотки сохраняет неизменную позицию, однако секции поочередно переходят от одной фазы к другой. Если в коллекторной машине переменного тока используется шестифазный комплект щеток со сдвигом на 60° относительно друг друга, то формируется шестифазная обмотка с соединением по схеме многоугольника. На щетках многофазной машины с коллекторной группой частота тока определяется вращением магнитного потока по отношению к неподвижным щеткам. Направление вращения ротора может быть как встречным, так и согласованным.

Применение МПТ

Сегодня МПТ используются всюду, где в том или ином виде требуется генерация механической или электрической энергии. Крупные производительные агрегаты применяются в обслуживании инженерных систем, энергетических станций и подъемно-транспортных узлов, а маломощные – в обычной бытовой технике от вентиляторов до насосов. Но в обоих случаях назначение машин переменного тока сводится к выработке энергетического потенциала в достаточном объеме. Другое дело, что имеют принципиальное значение конструкционные отличия, реализация внутренней конфигурации статора и ротора, а также управляющая инфраструктура.

Хотя общее устройство МПТ на протяжении длительного времени сохраняет один и тот же набор функциональных компонентов, повышающиеся требования к эксплуатации таких систем заставляют разработчиков вносить дополнительные органы контроля и управления. На современном этапе технологического развития особенно в контексте применения машин переменного тока в производственной сфере эксплуатацию подобных двигателей и генераторов сложно представить без высокоточных средств регуляции рабочих параметров. Для этого используются самые разные способы управления – импульсный, частотный, реостатный и т.д. Внедрение автоматики в регулирующую инфраструктуру также является характерной чертой современной эксплуатации МПТ. Управляющая электроника подключается к силовой установке с одной стороны, а с другой – к программным контроллерам, которые по заданному алгоритму дают команды на установку конкретных параметров работы механизма.

Заключение

Генераторы тока и электродвигатели являются обязательным силовым компонентом в современной промышленности. За счет их функции работают станки, транспорт, коммуникационные установки и прочие электротехнические агрегаты и приборы, требующие энергоснабжения. При этом существует огромный массив видов и подвидов электрические машины переменного и постоянного тока, особенности и характеристики которых в итоге определяют нишу для их эксплуатации. К технико-эксплуатационным особенностям МПТ можно отнести более простое конструкционное устройство и относительно низкие требования к обслуживанию. С другой стороны, машины постоянного тока оказываются более привлекательным решением задач энергоснабжения в сложных ответственных системах питания. Отечественный производственный сегмент энергетического промышленного оборудования имеет огромный опыт в проектировании и выпуске электрических машин обоих типов. Крупные предприятия все больший упор делают на разработку индивидуальных решений с конструкционными и эксплуатационными особенностями. Отклонения от типовых проектов часто связаны с необходимостью подключения вспомогательных функциональных узлов и оборудования наподобие систем охлаждения, защитных средств от перегрева и сетевых колебаний, дополнительного и резервного питания. Кроме того, на часть конструкционных свойств электрических машин немалое влияние оказывает внешняя среда эксплуатации, что также учитывается на этапах проектирования и создания техники.