Подключение электродвигателя

Время на чтение:

В промышленности наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели. Такие привода обладают массой достоинств, как, например, жесткая характеристика. Это выражается в том, что при увеличении нагрузки и снижении оборотов крутящий момент резко возрастает. Схема подключения трехфазного асинхронного двигателя имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при монтаже и ремонте устройств.

Условия для подключения электродвигателя

Основным условием для нормальной работы трехфазных двигателей является стабильность напряжения и тока в каждой из фаз электрической сети. Обрыв хотя бы одной фазы приведет к тому, что двигатель потеряет значительную часть мощности и при нагрузке на валу свыше 50 % нормативной остановится и выйдет из строя. Пуск на двух фазах возможен только при полном отсутствии нагрузки и только в то время, когда ротор сохраняет хотя бы небольшую угловую скорость.

Асинхронный двигатель

К сведению! В момент пуска асинхронный двигатель потребляет ток, в 3-5 раз превышающий номинальный до тех пор, пока ротор не наберет определенные обороты. Это явление исходит из принципа работы двигателя.

Таким образом, если в рабочем режиме ток двигателя позволяет использовать обычные автоматические выключатели, то для обеспечения нормального пуска коммутацию следует производить через мощный контактор (магнитный пускатель).

Магнитный пускатель

В отдельных случаях возможно подключение трехфазного двигателя в бытовую однофазную сеть. При этом сильно падают мощностные характеристики. Такая ситуация возникает очень часто, когда необходимо использовать промышленный привод в бытовых условиях. Используя специальную схему включения, обеспечивают нормальную работу мотора с учетом снижения мощности.

Как подготовить для подключения

Для правильного включения трехфазного двигателя необходимо помнить, что существует несколько схем соединения обмоток, среди которых:

• «Звезда». Одни концы обмотки соединяют вместе, а другими подключаются к фазным проводам сети;
• «Треугольник». Все три обмотки соединяются последовательно — конец каждой обмотки с началом следующей. Напряжение сети подается на точки соединения.

Обратите внимание! Для получения одинаковой мощности при соединении типа «звезда» требуется напряжение в √3 раз больше, чем при «треугольнике». Для двигателей, у которых допускается произвольное переключение обмоток, на шильдике обязательно указывается рабочее напряжение «220/380» или «127/220». Первое значение относится к соединению «треугольник», второе к «звезде».

В таких электродвигателях на клеммную колодку попарно в три ряда выведены начало и концы всех обмоток:

• начало первой обмотки — конец второй;
• начало второй — конец третьей;
• начало третьей — конец первой.

Колодка двигателя, соединение «треугольник»

Для соединения «звезда» подключают один ряд из трех клемм двумя перемычками, а для соединения «треугольник» замыкают каждую пару тремя перемычками.

Как правильно подсоединить электродвигатель

От правильности включения обмоток электродвигателя зависит как ток потребления, так и направление вращения. Ток потребления вырастает, если двигатель, у которого на данное напряжение сети обмотки должны быть соединены «звездой», переключить на «треугольник». Такой режим работы является аварийным и приведет к выходу из строя.

Из теории трехфазного тока известно, что направление вращения электрической машины можно изменить, поменяв любые две фазы из трех местами. На этом основана схема реверсирования трехфазных асинхронных электродвигателей.

Важно! Схема реверсирования должна обеспечивать невозможность переключения фаз до момента остановки двигателя (прекращения подачи питания). В противном случае произойдет короткое замыкание сети.

Как подключить с 3 или 6 проводами

В большинстве случаев соединение двигателя с питающей сетью производится при помощи трех проводов. Даже если на клеммную колодку выведено шесть проводов, что соответствует трем парам обмотки, то путем соединения в нужную схему для подключения к питанию используется три провода.

Для мощных устройств учитывается, что асинхронный двигатель в момент запуска потребляет в несколько раз больший ток, поэтому используется сложная схема запуска, в которой в момент пуска обмотки подключаются «звездой», а после того как ротор наберет необходимые минимальные обороты, обмотки переключаются в «треугольник».

Шестипроводная схема включения

Важно! Для таких схем включения нужно подсоединять все шесть проводов обмоток электрической машины.

Схема подключения асинхронного электродвигателя

Асинхронные двигатели бывают не только трехфазные. Разработаны конструкции, которые могут подключаться в бытовую однофазную сеть. Схема электродвигателя для подключения к однофазной сети состоит из двух обмоток — рабочей и пусковой. Пусковая обмотка предназначена для формирования внутри статора вращающегося магнитного сдвига в момент пуска. Это необходимо для обеспечения начала вращения ротора. Фазный сдвиг осуществляется за счет включения пусковой обмотки через конденсатор.

Подключение однофазного двигателя

После того как ротор наберет обороты, пусковая обмотка уже не нужна. Маломощный однофазный привод будет работать нормально в таком режиме, но мощность двигателя возрастет, если оставить в работе пусковую обмотку, включенную через рабочий конденсатор.

Обратите внимание! Емкость рабочего конденсатора меньше, чем у пускового, так как нет необходимости сильного сдвига фазы. При высокой емкости через пусковую обмотку будет проходить большой ток, что приведет к ее перегреву.

В трехфазную электрическую сеть электромоторы включаются согласно их характеристикам и напряжению сети. Здесь главное — правильно выполнить необходимые соединения обмоток в соответствии с напряжением питания.

Нестандартная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя применяется при использовании промышленных устройств в быту.

Подсоединение производят по нескольким вариантам:

• с использованием частотного преобразователя;
• через конденсатор.

Электронный частотный преобразователь (инвертор) позволяет не только сохранить мощность, но и улучшить целый ряд характеристик, недостижимых при включении по стандартной схеме. Это:

1. Плавный пуск.
2. Регулирование мощности.
3. Регулирование оборотов.

Частотный преобразователь преобразует однофазное питание в полноценную трехфазную сеть, в которой можно менять частоту, амплитуду, выполнять стабилизацию тока и напряжения в фазных проводах.

Обратите внимание! Большой недостаток частотных инверторов — их высокая стоимость.

Схема с конденсатором разработана таким образом, чтобы получить на одной из трех обмоток сдвиг фазы, достаточный для работы двигателя. Конденсаторная электросхема работоспособна как для «треугольника», так и для «звезды». Включение электромотора через конденсатор является наиболее простым решением проблемы, но имеет несколько недостатков:

• максимальная мощность двигателя снижается до 50 %;
• емкость фазосдвигающего конденсатора сильно зависит от нагрузки на электродвигатель.

То есть при работе на холостом ходу емкость должна быть минимальна и достигать максимума на полной мощности двигателя. Наиболее высокий ток потребления у асинхронного двигателя в момент запуска.

Подключение в однофазную сеть

Обратите внимание! На практике используют усредненное значение емкости для наиболее ожидаемого режима работы, поскольку малое значение не даст необходимую мощность, а высокое приведет к перегреву обмоток.

Правильный расчет емкости учитывает напряжение сети, схему включения обмоток и мощность двигателя. Конденсаторная схема включения должна предусматривать запуск двигателя через отдельный пусковой конденсатор, емкость которого должна быть выше рабочей в 2-3 раза.

Принципиальный момент — реверс обеспечивается подключение конденсатора к любой другой обмотке.

Однолинейная схема подключения электродвигателя

В энергетике часто применяются однолинейные схемы, в которых все линии питания вне зависимости от количества проводов и фаз обозначаются одной линией. Однолинейный чертеж не перегружен мелкими деталями, и это упрощает его чтение.

По однолинейной схеме удобно получать общее представление о работе и устройстве электроустановки. Трехфазные электродвигатели также обозначаются на однолинейных схемах. Важно учитывать при этом, что при разных способах коммутации фаз необходимо на чертеже указывать каждую фазу во избежание путаницы.

Чтобы подключать электрический двигатель к сети важно правильное определение назначения выводов обмоток и уже на основании имеющихся данных количество фаз, напряжение, мощность. Немаловажно выбрать наиболее подходящую схему включения.

Электродвигатели

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

• КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
• БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
• ЭП — электрический преобразователь
• ДПР — датчик положения ротора
• ВРД — вентильный реактивный двигатель
• АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
• СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

Для вращательного движения

,

• где – угол, рад,

,

• где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (механическая), Вт

При этом потери в электродвигатели обусловлены:
• электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
• m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• где – угловое ускорение, с -2 [2]

,

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.