Двигатели постоянного и переменного тока - принцип работы и устройство

14 декабря 2023

Двигатели, вероятно, самые распространенные электрические машины. Различаются по мощности, напряжению и конструкции. Рассмотрим их конструкцию и принцип действия на примерах машин постоянного и переменного тока.

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::

электродвигатель на ТЭЦ, питающий насос

Так же двигатели приводят в движение механизмы производства и котлов:

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: 

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.

статор асинхронного двигателя в разрезе 

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:

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.

асинхронный электродвигатель

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. 

щеточный аппарат синхронной машины

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. 

выводы обмотки статора синхронного электродвигателя и питающий кабель

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

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.

характеристики электродвигателя с таблички

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.

Режим Описание
S1 продолжительный режим
S2 кратковременный режим
S3 периодический повторно-кратковременный
S4 повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов
S5 повторно-кратковременный режим с электрическим торможением и влиянием пусковых процессов
S6 перемежающийся режим - последовательность циклов
S7 перемежающийся режим с влиянием пусковых токов и электрическим торможением
S8 периодический перемежающийся с периодически изменяющейся частотой вращения
S9 режим с непериодическими изменениями  нагрузки и частоты вращения
S10 режим с дискретными постоянными нагрузками и частотами вращения
Рейтинг: 5/5 - 3 голосов

2024 Electricalblog - блог инженера-электрика письмо автору сайта