Двигатели постоянного и переменного тока - принцип работы и устройство

Электродвигатель - электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую за счет работы магнитного поля между подвижной и неподвижной частями.

Где применяются электродвигатели?

Электродвигатели применяются везде. Оглянемся вокруг: в автомобилях, в лифтах, вентилятор в туалете, стиральная машина, привод дверей супермаркета, эскалатор в метро или торговом центре, приточная и вытяжная вентиляция в помещениях - имеют в своем составе электродвигатель. 

Если ближе к ТЭЦ, то электродвигатель, зачастую часть насосного агрегата. То есть, электродвигатель вращается и приводит в движение насосы::

• сетевые
• питательные
• конденсатные

Так же двигатели приводят в движение механизмы производства и котлов:

• конвейерные ленты
• шнеки
• транспортеры
• резервные возбудители
• дымососы
• дутьевые вентиляторы
• молотковые мельницы

Электродвигатели нашли применение во всех отраслях промышленности, включая энергетику, строительство, сельское хозяйства. Кроме того они облегчают повседневную жизнь, выполняя работу, к которой мы привыкли.

Типы электродвигателей

Классификация электродвигателей включает следующие виды: 

• асинхронные и синхронные
• коллекторные и бесколлекторные
• постоянного и переменного тока
• низковольтные и высоковольтные
• односкоростные и многоскоростные
• в зависимости от частоты вращения

Принцип действия двигателя переменного тока

В основе работы асинхронного электродвигателя лежит следующий принцип: 

Трехфазное напряжение подается в обмотку статора. Создается вращающееся магнитное поле с магнитный потоком. Магнитное поле вращается вокруг обмоток ротора с частотой n1 и наводит в них ЭДС. Под действием ЭДС в роторе возникает ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем статора создает силу, которая приводит ротор в движение с частотой n одного направления с магнитным полем.

Роторы бывают разной конструкции, в частности поговорим про число пар полюсов. Их может быть 2, 4, 6 и т.д. Скорость вращения магнитного поля тем меньше, чем большее число пар полюсов заложено в конструкции ротора. 

Скорость вращения магнитного поля и самого ротора не равны, их относительная разность называется скольжение.

s=n1-n/n1

В зависимости от отношения частот вращения двигатель может работать в следующих режимах:

• режим генератора n1 < n
• режим двигателя n1 > n
• тормозной режим n1=n

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные двигатели могут быть с короткозамкнутой или фазной обмоткой ротора. У двигателей с фазной обмоткой более сложная конструкция ротора, более плавные условия пуска. 

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой имеют большие значения пусковых токов, однако, более надежны и просты в эксплуатации. Плюс, в последнее время стали применять ЧРЭПы (частотно-регулируемые электроприводы)  для плавного пуска ответственных механизмов.

Наиболее распространены асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором различных серий. Серия от серии отличается конструктивными особенностями, которые внедряются для улучшения характеристик и повышения надежности в нестандартных условиях эксплуатации.

Асинхронные электродвигатели питаются от трехфазной сети переменного тока. Возможно так же подключение электродвигателя от 220 В с конденсатором.

Популярные серии электродвигателей 

0,4 кВ

АИР, АИС и прочие.

6 кВ

А, А2, А4, АВ, АДО, АН, АО, АТД, АЗМ, ВАН, ВАО, ДА, ДАЗО, ДАМСО

Электродвигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока могут быть щеточными и бесщеточными (бесколлекторные).

Синхронные двигатели постоянного тока состоят из подвижной части, на которой расположены якорь и коллектор, а также неподвижной - индуктора. Подвижная и неподвижная части отделяются воздушным зазором.

Якорь набран из листов электротехнической стали. В сердечнике якоря уложена обмотка.  На обмотку подается постоянное напряжение через щетки, контактные кольца и коллектор. Регулируя напряжение, можно регулировать скорость вращения электродвигателя.

Индуктор состоит из основных полюсов, дополнительных полюсов и станины. Набирается из листов электротехнической стали, что позволяет уменьшить вихревые токи. Основные полюса служат для создания основного магнитного потока. Дополнительные - для уменьшения искрения щеток в коллекторе. Со станиной соединяется траверса щеточного аппарата, который предназначен для подвода тока к коллектору. Дополнительные полюса устанавливают между основными полюсами. 

Бесколлекторные двигатели постоянного тока созданы для того, чтобы устранить слабое место щеточных электродвигателей - щеточный аппарат, ведь щетки изнашиваются и требуют постоянной эксплуатации. И подвижный электрический контакт не есть надежный узел. Такие двигатели позволяют быстро набирать обороты. 

Двигатели постоянного тока применяются в электротранспорте (электромобили, трамваи, электрички), промышленности.

Синхронные электродвигатели

Синхронная машина состоит из двух частей - одна связана с сетью (якорь), вторая служит для создания тока возбуждения. Чаще встречаются варианты, когда статор служит якорем, именно этот вариант и будем рассматривать.

Конструкция статора аналогична асинхронному электродвигателю - обмотка в пазах при питании от трехфазной сети создает вращающееся магнитное поле. 

В синхронных машинах частота вращения статора и ротора равны, отсутствует скольжение. Частота вращения ротора (возбуждения) не зависит от сети, питается от независимого источника. 

Ротор может быть явнополюсным или неявнополюсным. В первом случае распределение поля ротора вдоль воздушного зазора определяет расположение полюсных наконечников (явно видные полюса), во втором случае - за счет расположения обмоток возбуждения. Неявнополюсные двигатели обладают частотой вращения 1500, 3000 об/мин.

Взаимодействие магнитных полей статора и ротора и определяет тип синхронной машины. Если на ротор действует внешний момент вызывающий торможение, то машина работает в режиме электродвигателя и потребляет энергию из сети. Если ускоряющий момент - то машина потребляет энергию - генератор.

Преимущества синхронных электродвигателей

• Из-за возбуждения постоянным током могут работать при cosf=1. При этом не потребляют реактивную мощность, а даже могут ее отдавать в сеть (режим перевозбуждения)
• КПД синхронных двигателей выше, чем у асинхронных за счет меньших добавочных потерь в стали и роторе (из-за большего воздушного зазора)
• При снижении напряжения сети синхронный двигатель обладает большей нагрузочной способностью. Это связано с тем, что максимальный момент  пропорционален напряжению, в то время, как у асинхронных двигателей - квадрату напряжения.

К недостаткам можно отнести сложность конструкции, пуска, регулирования скорости, более высокая стоимость.

На ТЭЦ я встречал синхронные двигатели большой мощности (мегаватты) и напряжением 6кВ. Они применяются для привода компрессоров, в поршневых насосах, на горнодобывающем, плавильном производстве (воздуходувки доменных печей). С виду как такие небольшие турбогенераторы и не удивительно, ведь они способны работать в этом режиме (ну теоретически так точно).

Технические характеристики электродвигателей

Как понятно из текста выше, двигатели бывают разных видов и это накладывает отпечаток на возможные характеристики. Рассмотрим характеристики асинхронных электродвигателей.

Для двухскоростных электродвигателей для каждой частоты вращения существуют свои номинальные данные. Вопрос, для чего нужны характеристики - одни нужны для расчета, другие для испытания, третьи для покупки. Основные технические характеристики для эксплуатации представлены на табличке электродвигателя.

Это номинальный ток, мощность, частота вращения, номинальное напряжение, номинальный ток или токи, частота сети, режим эксплуатации, класс защиты, схема соединения обмоток электродвигателя: звезда или треугольник. Для расчетов, кроме данных с шильдика, понадобятся и другие характеристики: пусковой коэффициент, номинальное скольжение, коэффициент мощности, кпд, момент инерции ротора, время выбега, время разгона после перерыва питания, максимальный и пусковой моменты.

Для испытаний важно знать такие характеристики, как: сопротивление изоляции, омическое сопротивление, графические характеристики, кабс.

Режимы работы электродвигателей

В своей работе двигатели могут находиться в состоянии покоя (например во время останова оборудования или ремонта), рабочем состоянии (выполнять возложенные на них функции). Существует режим, который происходит между этими двумя состояниями - пуск электродвигателя. Кроме пуска, есть еще один режим, который возможен при кратковременном исчезновении питания - самозапуск электродвигателей.

По ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004)  есть режимы, обозначаемые латинской буквой S и цифрой.