Трёхфазный двигатель

Асинхронный двигатель, согласно принципу обратимости электрических машин, может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Для работы асинхронного двигателя в любом режиме требуется источник реактивной мощности.

В двигательном режиме при подключении двигателя к трехфазной сети переменного тока в обмотке статора образуется вращающееся магнитное поле, под действием которого в короткозамкнутой обмотке ротора наводятся токи, образующие электромагнитный момент вращения, стремящийся провернуть ротор вокруг его оси. Ротор преодолевает момент нагрузки на валу и начинает вращаться, достигая подсинхронной скорости (она же и будет номинальной с учётом момента нагрузки на валу двигателя).

В генераторном режиме при наличии источника реактивной мощности, создающего поток возбуждения, асинхронная машина способна генерировать активную мощность. Источником реактивной мощности может служить конденсатор.

Пуск — вектор результирующего магнитного поля статора равномерно вращается с частотой питающей сети, делённой на количество отдельных обмоток каждой фазы (в простейшем случае — по одной). Таким образом, через любое сечение ротора проходит магнитный поток, изменяющийся во времени по синусу. Изменение магнитного потока в роторе порождает в его обмотках ЭДС. Так как обмотки замкнуты накоротко и сделаны из проводника большого сечения («беличье колесо»), ток в обмотках ротора достигает значительных величин и, в свою очередь, создаёт магнитное поле. Так как ЭДС в обмотках пропорциональна скорости изменения магнитного потока (то есть — производной по времени от синусной зависимости — косинусу), наведённая ЭДС беличьего колеса и соответственно результирующее магнитное поле (вектор) ротора на 90 градусов «опережает» вектора статора (если смотреть на направления векторов и направление их вращения). Взаимодействие магнитных полей создаёт вращающий момент ротора.

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в режиме пуска и полного торможения, тратится на перемагничивание ротора и статора, а также на активное сопротивление току в обмотке ротора. (Эквивалентно работе понижающего трансформатора с коротким замыканием вторичной обмотки).

Холостой ход — после начала движения, с увеличением оборотов ротора, его скорость относительно вектора магнитного поля статора будет уменьшаться. Соответственно будет уменьшаться и скорость изменения магнитного потока через (любое) сечение ротора, соответственно уменьшится наведённая ЭДС и результирующий магнитный момент ротора. В отсутствие сил сопротивления (идеальный холостой ход) угловая скорость ротора будет равна угловой скорости магнитного поля статора, соответственно разница скоростей, наведённая ЭДС и результирующее магнитное поле ротора будут равны нулю.

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в режиме холостого хода, не потребляется (индуктивная нагрузка). Эквивалентно работе понижающего трансформатора на холостом ходу (или короткозамкнутыми вторичными обмотками, расположенными вдоль сердечника)

Двигательный режим — среднее между полным торможением и холостым ходом. Полезная нагрузка и механические потери не позволяют ротору достичь скорости магнитного поля статора, возникающее их относительное скольжение наводит некоторую ЭДС и соответствующее магнитное поле ротора, которое своим взаимодействием с полем статора компенсирует тормозной момент на валу.

Механическая характеристика асинхронного двигателя является «жёсткой», то есть при незначительном уменьшении оборотов крутящий момент двигателя возрастает очень сильно — «стремится поддерживать номинальные обороты». Это хорошее свойство для приводов, требующих поддержания заданной скорости независимо от нагрузки (транспортёры, погрузчики, подъёмники, вентиляторы).

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в двигательном режиме, потребляется (частью, обозначаемой «косинус фи») на совершение полезной работы и нагрев двигателя, остальная часть возвращается в сеть как индуктивная нагрузка. «Косинус фи» зависит от нагрузки на двигатель, на холостом ходу он близок к нулю. В характеристике двигателя указывается «косинус фи» для номинальной нагрузки. Отличие этой величины от единицы определяется, в основном, магнитным сопротивлением воздушного зазора между статором и ротором, что эквивалентно индуктивности рассеяния в трансформаторе, поэтому зазор стараются уменьшить; с другой стороны, данный зазор ограничивает токи обмоток при выходе частоты вращения ротора за рабочие пределы, например во время пуска двигателя.

Генераторный режим возникает при принудительном увеличении оборотов выше «идеального холостого хода». При наличии источника реактивной мощности, создающего поток возбуждения, магнитное поле ротора наводит ЭДС в обмотках статора и двигатель превращается в источник активной мощности (электрической).

• Звезда — концы всех обмоток соединяются вместе и соединяются с «нулем» подводимого напряжения. Начала обмоток подключаются к «фазам» трёхфазной сети. На схеме изображения обмоток напоминают звезду (катушки по радиусу направлены из центра).
• Треугольник — начало одной обмотки соединяется с концом следующей — по кругу. Места соединения обмоток подключаются к «фазам» трёхфазного напряжения. «Нулевого» выхода такая схема не имеет. На схеме обмотки соединены в треугольник.

Схемы не имеют особых преимуществ друг перед другом, однако «звезда» требует большего линейного напряжения, чем «треугольник» (для работы в номинальном режиме), а при включении "треугольником" в режиме генератора возникает кольцевой паразитный ток. Один и тот же двигатель легко используется с обоими подключениями, поэтому в характеристике трёхфазного двигателя указывают два номинальных напряжения через дробь (как правило, это 220/380 или 127/220 вольт).

Двигатели, постоянно работающие по схеме «треугольник», во время пуска для снижения пускового тока можно соединять по схеме «звезда» посредством специальных пусковых реле.

Начала и концы обмоток трехфазных двигателей выведены на колодку 2×3 клеммы, так что:

• для соединения в «звезду» требуется замкнуть один ряд из трёх клемм — это будет центр «звезды», три свободные клеммы подключаются к фазам.
• для соединения в «треугольник» соединяют попарно три ряда по две клеммы и подключают их к фазам.

Для реверсирования любого трехфазного двигателя переключают любые две фазы из трех, питающих двигатель.

Может работать в однофазной сети с потерей мощности (не нагруженный на номинальную мощность). Его мощность при таком способе включения составляет 50% от номинальной мощности. При этом для запуска необходим механический сдвиг ротора, либо фазосдвигающая цепь, которая обычно строится из ёмкости, индуктивности или трансформатора[1].

При однофазном запуске на одну из обмоток подаётся напряжение (ток) через ёмкость или индуктивность, которая сдвигает фазу тока (без учёта потерь):

• вперёд на 90° — при включении в цепь ёмкости,
• назад на 90° — при включении в цепь индуктивности,

После запуска напряжение с фазосдвигающей обмотки снимать нельзя. Снятие с фазосдвигающей обмотки напряжения эквивалентно работе трёхфазного двигателя с обрывом одной из фаз, и при даже незначительном возрастании тормозного момента на валу двигатель остановится и сгорит.

В некоторых случаях, при питании от однофазной сети, запуск осуществляется вручную проворотом ротора. После проворота ротора двигатель работает самостоятельно.

Трёхфазный двигатель приспособлен к трёхфазной сети, а к однофазной сети лучше подходит двухфазный двигатель со сдвигом фазы во второй обмотке либо через конденсатор (конденсаторные двигатели), либо через индуктивность.

Самостоятельный пуск возможен только в случае соединения обмоток «звездой» с подключением нулевого провода (что не является обязательным для работы вообще). Если нагрузка не позволит двигателю запуститься и развить номинальные обороты, то из-за увеличения тока в обмотках и уменьшения охлаждения (при самовентиляции) он выйдет из строя через несколько минут (перегрев, пробой изоляции и короткое замыкание).

Продолжение работы будет при любом типе соединения обмоток, но так как при этом перестаёт поступать примерно половина энергии, то продолжительная работа возможна только при нагрузке двигателя значительно менее, чем на 50 %. При большей (номинальной) нагрузке увеличенный ток в работающих обмотках неминуемо вызовет их перегрев с дальнейшим пробоем изоляции и коротким замыканием. Обрыв фазы — одна из самых частых причин преждевременного выхода трехфазных машин из строя.

Для защиты двигателей от пропадания и перекоса (разницы напряжений) фаз питающего напряжения применяют реле контроля фаз, которые в этих случаях полностью отключают питание (с автоматическим или ручным дальнейшим включением)[2]. Возможна установка одного реле на группу двигателей.

Более грубой и универсальной защитой, обязательной по правилам эксплуатации и обычно достаточной при правильно подобранных параметрах, является установка трёхфазных автоматических выключателей (по одному на двигатель), которые отключают питание в случае длительного (до нескольких минут) превышения номинального тока по любой из фаз, что является следствием перегрузки двигателя, перекоса или обрыва фаз[2].

• Электропривод
• Электрический двигатель
• Асинхронный двигатель | Синхронный двигатель
• Двухфазный двигатель | Однофазный двигатель
• Трёхфазная система электроснабжения
• Реле контроля фаз
• Автоматический выключатель

• Асинхронный двигатель