Электродвигатель. Принцип работы и схемы

Аннотация

В статье описаны основные типы электродвигателей, варианты соединения обмоток и способы защит от токовых перегрузок.

Трехфазные и однофазные системы переменного тока

Электрические сети классифицируются по роду тока. Различают сети однофазного и трехфазного переменного тока. Основные отличия между этими двумя системами, изложены ниже.

Трехфазный переменный ток

Трехфазный переменный ток производится генераторами и передается потребителям электроэнергии по соответствующим проводникам. Такая электрическая система состоит из трех фаз L1, L2 и L3, нейтрали N и защитного заземления PE.

В сетях трехфазного переменного тока генерируется 400 В, 3 / N, ~ 50 Гц (стандарт используемый в Европе), также справедливы следующие соотношения напряжений:

Напряжение 400 В соответствует фазам L1-L2, L2-L3 и L3-L1. Между фазами и нейтралью L1-N, L2-N и L3-N величина напряжения составляет 230 В в каждом случае (рис. 1).

Однофазный переменный ток

Для однофазной системы переменного тока напряжение наводится между фазой и нейтралью N. Какая из трех фаз используется значения не имеет. На рисунке 1 можно увидеть, что трехфазная система переменного тока с нейтралью N и напряжением 400 В также обеспечивает однофазным напряжением 230 В. Фактор напряжения от фаза-фаза и напряжения фаза-нейтраль выражен так называемым коэффициентом взаимосвязи, который вычисляется следующим образом:

Двухфазное напряжение/Однофазное с нейтралью = 400 В / 230 В = 1,73 = √3

Этот коэффициент 1,73 = √3 относится ко всем трехфазным сетям перемнного тока с нейтралью N, независимо от их номинального напряжения.

Трехфазные двигатели переменного тока

Теперь рассмотрим варианты подключения электрического вентилятора и нагревающегося двигателя с воздушным охлаждением к вышеупомянутой электрической сети переменного тока.

Доступность электрической системы питания – предварительное условие для подключения любого предмета климатической техники, включающей электродвигатель. Для работы двигателя на этом источнике питания необходимо, чтобы напряжение сети и напряжение двигателя были одинаковыми, как и их частоты.

Для некоторых трехфазных двигателей изменение скорости происходит за счет двойной спецификации напряжения, например, 230 / 400 В или 400 / 690 В.

Маркировка таких двигателей приведена на рис. 2.

Наличие 230 / 400 В в спецификации свидетельствует о том, что двигателем можно управлять как на напряжении 230 В, так и на 400 В трехфазной сети.

Так как напряжение сети обычно фиксировано, схема двигателя может быть адаптирована к определенным условиям. Каждая обмотка этого двигателя рассчитана на напряжение 230 В. Однако, соединяя в звезду или треугольник, можно запускать двигатель как на напряжение 230 В, так и на 400 В.

При использовании схемы звезда, обмотки соединены как показано на рисунке 3.

На рисунке показано соединение обмоток по схеме звезда. Соединения в клеммной коробке указывают как располагается соединение звездой. Коэффициент взаимосвязи между обмотками напряжения 230 В и 400 В составляет 1,73 = √3

Величина напряжения сети при соединении в звезду должна быть 1,73 = √3, в зависимости от используемой обмотки.

Соединение обмоток двигателя в треугольник показано на рисунке 4.

На рисунке показано соединение обмоток по схеме треугольник. Соединения в клеммной коробке указывают как располагается соединение треугольником. Сравнение двух методов соединения показывает, что для каждой обмотки всегда можно получить напряжение 230 В, обмотки двигателя должны быть соединены в звезду на напряжение 400 В или в треугольник на 230 В. Таким образом, можно сформулировать общее правило:

Примечание:

В машинах с двойной спецификацией напряжения соединение по схеме звезда должно использоваться для более высокого напряжения. Соединение треугольник предназначено для более низкого напряжения.

Направление вращения двигателя может быть изменено путем чередования любых двух фаз.

Двухскоростной трехфазный асинхронный двигатель со спецификацией на одно напряжение

Основные различия

• изменяющееся количество полюсов двигателя согласно схеме Даландера (скорость вращения 1:2),
• изменяющееся количество полюсов двигателя с двумя отдельными обмотками (скорость вращения варьируется).

В отличии от односкоростных двигателей, двухскоростные двигатели предназначены для одной величины оперативного напряжения.

Примечание:

Напряжение сети и номинальное напряжение двигателя должны совпадать.

Что касается обозначения клемм, было установлено, что последовательность цифр, предшествующих клеммным буквам указывает число оборотов. Клеммы 1U, 1V и 1W всегда соответствуют низкой скорости, а клеммы 2U, 2V и 2W соответствуют более высокой скорости.

На рисунках 5–8 показано, каким образом обмотки должны быть соединены между собой и где токоведущие проводники ограничиваются в каждом конкретном случае.

Соединение по схеме Даландера

Чтобы запустить машину на низкой скорости вращения, блок питания подключается к клеммам 1U, 1V и 1W. Другие клеммы (2U, 2V, 2W) не подключаются (рис. 5). Чтобы использовать более высокую скорость, блок питания подключается к клеммам 2U, 2V и 2W.

Важно: Клеммы 1U, 1V и 1W должны быть соединены между собой в этом случае. Неспособность обеспечить этой перемычки (соединение звездой) приведет к разрушению обмоток (рис. 6).

Примечание:

В системах с контакторным управлением замыкатель звезда всегда должен быть включен перед сетевым контактором высокой скорости!

Две отдельные обмотки

В этом случае источник питания подключен к клеммам 1U, 1V и 1W для низкой скорости, клеммы 2U, 2V и 2W остаются неподключенными (рис. 7). Для получения более высокой скорости, блок питания должен быть подключен к клеммам 2U, 2V и 2W.

Примечание:

Соединение звездой (перемычка) не должно использоваться в этом случае.

Несоблюдение этого правила может привести к разрушению обмоток.

Сравнивая способы соединения двигателей по схеме Даландера, и узлов с отдельными обмотками, становится ясно, что разница между схемами должна быть внимательно отмечена при выборе коммутационных устройств.

Примечание:

Устройство переключения для двигателя Даландера никогда не должно быть использовано двигателем с двумя обмотками, и наоборот!

Смена фаз производится для реверса двигателя. Если изменяющий полюс выключатель (переключатель полюса) используется, рекомендуется произвести обмен фазы перед устройством переключения, так как изменение фазы на двигателе повлечет перенастройку 2х2 клемм, т. е. риск спутать проводники в этом случае будет значительно выше.

Однофазные двигатели

Однофазные двигатели предназначены для одно- или многоскоростных операций, а также контроля бесступенчатого изменения числа оборотов.

Клеммная коробка двигателя с обозначениями и соединениями для обмоток и конденсаторов изображена на рис. 9. Эти двигатели рассчитаны на работу с операционным напряжением в сети 230 В. Подключен ли двигатель между фазой и нейтралью в сети 400 В или между двух фаз 230 В не имеет значения. Кроме того, не принципиально, какой вывод будет использован при соединении фазы с нейтралью. Направление вращения будет тем же.

Смена направления вращения может быть достигнута путем изменения вспомогательной по отношению к основной обмотки. Это включает в себя переподключение цепей перемычек в клеммной коробке. Начиная с перемычки между U1 и Z1 и между С1 и Z2, которые предусмотрены в клеммной коробке для определения направления вращения. Скорость может быть выбрана присвоением питания соответствующим клеммам.

1. Низкая скорость

На рисунке 10 показано, что основная обмотка HS подключена последовательно со вспомогательной обмоткой HIS. Конденсатор С подключен параллельно вспомогательной обмотке.

2. Высокая скорость

Из рисунка 11 видно, что основная обмотка HS соединена параллельно вспомогательной обмотки HIS, в то время как конденсатор С соединен последовательно со вспомогательной обмоткой.

Эти двигатели также могут осуществлять плавное регулирование скорости при помощи контроллера оборотов. В этом случае, для получения более высокой скорости, контроллер должен быть подключен к клеммам двигателя U1 и U2.

Коммутационные устройства для двигателей переменного тока

Функции переключающих устройств:

1. Питание и обесточивание двигателей вентиляторов.
2. Защита двигателя от перегрузок и разрушений. Устройства, выполняющие эту функцию, называются защитные выключатели двигателя или защитные комбинированные переключатели.

Защитные выключатели двигателя для односкоростных двигателей без термоконтакта

Защитный выключатель двигателя может управлять односкоростным трехфазным двигателем. Он включает в себя переключение и отключение механизма. Отключение механизма (перегрузка по току или биметаллические реле) реагирует на входной ток двигателя и прерывает подачу питания, когда потребление тока начинает превышать номинальный ток двигателя.

Примечание:

Номинальный ток двигателя на соответствующем рабочем напряжении является решающим фактором для выбора защитного выключателя!

Номинальный ток должен находиться в пределах диапазона уставок защиты переключателя таким образом, чтобы последние точно доходили до номинального тока двигателя. Защитное отключение не должно срабатывать, если ток двигателя не превышен. С другой стороны, двигатель должен быть выключен (после определенной задержки), когда потребление тока возрастает выше заданного значения защитного выключателя. Задержка времени на отключение становится короче с увеличением величины тока; она составляет примерно 5 секунд при превышении тока в 6 раз от установленного значения.

Из вышеизложенного следует, что измеренный ток принимается в качестве меры температуры двигателя. Тем не менее, это справедливо только до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости двигателя остается ниже порога + 40°C. Если температура охлаждающей жидкости поднимается выше + 40°C, электродвигатель может быть разрушен, даже если его номинальный ток не превышен, просто потому, что тепло, генерируемое внутри, не может быть достаточно быстро рассеяно. Защита двигателя реагирует только на нагрузки двигателя. Ток является причиной увеличения тепла.

Защитные выключатели двигателя для двухскоростных двигателей без термоконтакта

Двухскоростные двигатели переключаются при помощи комбинированных защитных переключателей. Последние отличаются от простых защитных выключателей тем, что они содержат два механизма переключающих операций (перегрузки по току или биметаллические реле), а также переключатель оборотов. Тем не менее, принцип работы такой же, как у защитного выключателя для односкоростных машин.

Устройства защиты для всех двигателей с термоконтактами

Для действительно эффективной защиты двигателя, должно быть принято во внимание влияние системы охлаждения. Это достигается путем измерения температуры непосредственно в месте, где она может повредить двигателю, то есть в пределах обмотки.

Обмотки изоляции бывают разных классов и не должны перегреваться сверх предельной температуры, указанной для каждого класса (рис. 12).

Для измерения температуры применяется датчик температуры (термоконтакт), который действует как преобразователь, встроенный в обмотку. Температура в обмотках электродвигателя надежно определяется датчиком. Он состоит из очень малого биметаллической коммутатора, который разрывает электрическую цепь управления незадолго до того, как температура обмотки достигает предела для данного класса изоляции. Чтобы воспользоваться этой функцией, необходимо применять коммутационное устройство, оборудованное соответствующим образом.

Эти устройства также называют устройствами защиты для всех двигателей с термоконтактами. Они доступны для односкоростных электродвигателей с обмотками Даландера или для двигателей с двумя раздельными обмотками.

Действие устройства защиты характеризуется тем, что двигатель обесточивается сразу после срабатывания теплового контакта, разрывая электрическую цепь. Однако двигатель не будет автоматически запускаться повторно, если цепь управления закрывается тепловым контактом. Чтобы повторно запустить двигатель, ручной переключатель должен быть установлен в 0, а затем, через Е (это дает начальный импульс) в положение 1 или 2 в зависимости от желаемой скорости.

Некоторые устройства защиты двигателей содержат дополнительные контакты для сервопривода и порт для подключения контакт создающих компонентов (например, термостата, гигростата, таймера и др.). Такие переключатели могут использоваться для питания и обесточивания электродвигателей через контакт создающие компоненты вручную на заранее заданной скорости. Двигатель выключается, когда управляющий контакт открывается и возвращается в работу автоматически, когда он закрывается.

Дополнительные контакты позволяют запустить сервопривод (позиционирование) двигателя по часовой стрелке или против часовой стрелки независимо от двигателя вентилятора.

Устройство защиты двигателя с биметаллическим реле, установленное на номинальный ток, может обслуживать только один подключенный двигатель, а устройства защиты для всех двигателей с термоконтактами поддерживает подключение нескольких двигателей. Следует отметить, что совокупность этих двигателей не должна превышать предельную мощность устройства защиты. Кроме того, двигатели, подключенные параллельно должны иметь одинаковое рабочее напряжение и тип обмотки (односкоростные, Даландера или разделенные обмотки). Конфигурация схемы должна быть такой, чтобы двигатели соединялись параллельно с клеммами трехфазного переменного тока, в то время как тепловые контакты должны быть соединены последовательно.

Коммутационные устройства для однофазных двигателей переменного тока

Однофазные двигатели переменного тока могут быть классифицированы по следующим параметрам:

1. Двигатели с термоконтактами и внешними проводными клеммами.
2. Двигатели с термоконтактами и внутренними проводными клеммами.

Внутренние проводные термоконтакты (т. е. контакты помещены в обмотки и вставляются непосредственно в цепь электродвигателя) пригодны только для использования в маломощных электродвигателях.

Двигатели, оснащенные такими контактами могут запускаться и обесточиваться при помощи любого коммутатора, при условии, что они относятся к типу односкоростных. Для двухскоростных двигателей должен быть использован специальный поворотный переключатель; такие переключатели встраиваются в любой стандартный монтажный корпус. Защита двигателя будет обеспечена на обеих скоростях и в двух режимах. Термоконтакт разрывает цепь двигателя, когда температура обмотки достигает допустимого предела для данного класса изоляции, затем снова запускает двигатель, когда он остывает.

В качестве альтернативы, система контакторного управления может быть предназначена для предотвращения автоматического перезапуска, когда температура двигателя возвращается в допустимые пределы. Как правило, двигатели с внутренними проводными термоконтактами могут также управляться с помощью коммутационных устройств, предназначенных для раздельного подключения тепловых контактов. В этом случае клеммы для этого термоконтакта необходимо закоротить с помощью перемычки на устройстве переключения.

Независимо от того, имеет двигатель свои термоконтакты или нет, однофазный блок переменного тока способен плавно регулировать скорость с помощью электронного контроллера скорости, разработанного специально для этого типа двигателя. Этот контроллер скорости также позволяет определить две или три ступени частоты вращения двигателя путем подключения соответствующих резисторов в цепь управления. Переключение между скоростями производится за счет компонента питающего выходной контакт. Двигатель находится под напряжением и обесточивается при помощи ручного переключателя, встроенного в контроллер.