Из чего состоит электродвигатель
У любого двигателя переменного тока две части. Статор неподвижен: это корпус с сердечником из тонких листов электротехнической стали, в пазах которого уложены обмотки. Ротор вращается внутри статора на валу. Между ними воздушный зазор 0,3–1,5 мм. Концы обмоток статора выведены в клеммную коробку: у трёхфазного двигателя шесть выводов U1, V1, W1 и U2, V2, W2, перемычками их соединяют звездой или треугольником.
Двигатели отличаются ротором. У асинхронного ротор «беличья клетка»: алюминиевые стержни, замкнутые кольцами, к ним ничего не подключают. У синхронного на роторе электромагнит с обмоткой возбуждения или постоянные магниты. У однофазного ротор как у асинхронного, а в статоре две обмотки и конденсатор.
Вращающееся магнитное поле
В статоре трёхфазного двигателя три катушки, повёрнутые на 120°. По ним текут токи трёх фаз, сдвинутые на треть периода. Поля катушек складываются в одно общее поле постоянной силы, которое плавно поворачивается: за период тока на один оборот при одной паре полюсов. Скорость поля n₁ = 60 · f / p, где f частота сети, p число пар полюсов. При 50 Гц это 3000, 1500, 1000 или 750 об/мин.
Направление поля задаёт порядок фаз. Если поменять местами две любые фазы, поле и двигатель закрутятся в обратную сторону: так делают реверс. Если пропала одна фаза, поле перестаёт вращаться и только пульсирует на месте. Двигатель с оборванной фазой гудит и не трогается, а работающий продолжает крутиться, но ток в оставшихся фазах растёт в 1,7–2 раза, и обмотка перегревается.
Почему асинхронный двигатель называется асинхронным
Вращающееся поле пересекает стержни ротора и наводит в них ток. На стержни с током в магнитном поле действует сила, и ротор тянется за полем. Если бы ротор догнал поле, стержни перестали бы его пересекать, ток и сила пропали бы. Поэтому ротор всегда немного отстаёт от поля, то есть вращается не синхронно с ним.
Отставание называют скольжением: s = (n₁ − n) / n₁ При номинальной нагрузке оно 2–5 %, поэтому на табличке двигателя пишут не 1500, а 1440 об/мин. С ростом нагрузки скольжение и ток растут. По скорости на табличке сразу видно число полюсов: 2900 об/мин значит 2 полюса, 1440 значит 4, 960 значит 6.
Пусковой ток и момент
При пуске ротор стоит, поле обгоняет его на полной скорости, и ток в 5–7 раз больше номинального. Он почти не падает, пока двигатель не разгонится до рабочей скорости. Поэтому автомат для двигателя выбирают так, чтобы он не срабатывал от пуска, а от перегрузки защищает тепловое реле.
График момента от скорости называют механической характеристикой. Пусковой момент обычно 1–2 номинальных, максимальный 1,7–3. Если нагрузка при трогании больше пускового момента, двигатель не сдвинется. Если на ходу нагрузка превысит максимальный момент, двигатель опрокинется: остановится под напряжением и будет брать пусковой ток, пока его не отключит защита. Номинальный момент по табличке: Mн = 9550 · Pн / nн (Н·м, кВт, об/мин).
Синхронный двигатель
Ротор синхронного двигателя работает как магнит: у больших машин это электромагнит с постоянным током через кольца и щётки. Полюс поля статора тянет за собой разноимённый полюс ротора, и ротор крутится ровно со скоростью поля при любой нагрузке. С нагрузкой растёт только угол между осью ротора и осью поля. Если нагрузка больше максимальной, двигатель выпадает из синхронизма.
Прямо в сеть синхронный двигатель не запускается: поле проносится мимо полюсов неподвижного ротора, и момент меняет знак 100 раз в секунду. Поэтому ротор разгоняют пусковой обмоткой как асинхронный, а потом подают ток возбуждения. Током возбуждения меняют cos φ: перевозбуждённый двигатель отдаёт реактивную мощность в сеть, как конденсаторная установка. Такие двигатели ставят на мощные компрессоры и насосы, а с постоянными магнитами и частотником в инверторные кондиционеры, стиральные машины с прямым приводом, лифты и электромобили.
Однофазный двигатель и конденсатор
Одна обмотка даёт пульсирующее поле: оно тянет ротор в обе стороны одинаково, и двигатель гудит, не трогаясь. Если толкнуть вал, он раскрутится в ту сторону. Чтобы двигатель трогался сам, в статор кладут вторую обмотку под 90° и включают её через конденсатор. Ток конденсаторной обмотки опережает ток главной, и поле начинает вращаться.
Рабочий конденсатор включён всё время, он плёночный, на 400–450 В. Пусковой добавляют на несколько секунд разгона, его отключает центробежный выключатель или реле. Высохший конденсатор: частая причина того, почему насос или кондиционер гудит и не запускается. Трёхфазный двигатель на 220/380 В можно включить в сеть 220 В треугольником с конденсатором: рабочий около 70 мкФ на киловатт, пусковой в 2,5 раза больше, мощность не больше 60–70 % паспортной.
Шаговый двигатель
Шаговый двигатель поворачивает вал на точный угол по каждому импульсу драйвера. В статоре две обмотки, A и B, ротор: постоянный магнит. Драйвер включает ток в обмотках по очереди, поле перескакивает на шаг, и ротор поворачивается за ним. У обычного гибридного двигателя шаг 1,8°: 200 шагов на оборот. В режиме микрошага драйвер плавно меняет токи по синусу и косинусу, и импульсов на оборот становится больше: при 1/16 это 3200.
В сеть шаговый двигатель не включают: его питает драйвер от блока питания постоянного тока, обычно 12–48 В. Контроллер станка или плата 3D-принтера подаёт драйверу импульсы STEP, направление DIR и сигнал ENABLE. Датчика положения обычно нет: если нагрузка больше момента или импульсы идут слишком резко, ротор проскакивает, и позиция теряется. Поэтому контроллер разгоняет двигатель плавно, а после включения станок ищет ноль по концевым выключателям. Такие двигатели стоят в 3D-принтерах, станках с ЧПУ, лазерных граверах, плоттерах, дозаторах, расширительных вентилях кондиционеров.
Чем асинхронный двигатель отличается от синхронного
- Скорость: у асинхронного немного ниже скорости поля и падает с нагрузкой, у синхронного равна скорости поля.
- Ротор: у асинхронного «беличья клетка» без подключения, у синхронного обмотка возбуждения с кольцами и щётками или постоянные магниты.
- Пуск: асинхронный включают прямо в сеть, синхронный разгоняют пусковой обмоткой или частотником.
- cos φ: асинхронный всегда берёт реактивную мощность, синхронный может её отдавать.
- Цена и обслуживание: асинхронный проще и дешевле, поэтому его ставят везде, где нет особых требований.
Частые вопросы
Почему трёхфазный двигатель гудит и не крутится?
Чаще всего пропала одна фаза: сгорел предохранитель, подгорел контакт пускателя, ослаб винт клеммы. Поле двух фаз пульсирует и не может сдвинуть ротор. Другие причины: заклинил механизм или подшипник, нагрузка при пуске больше пускового момента, сильно просело напряжение.
Как поменять направление вращения?
У трёхфазного двигателя поменять местами две любые фазы. Сдвиг всех трёх по кругу направление не меняет. У однофазного конденсаторного поменять местами концы конденсаторной обмотки или перенести конденсатор к другой обмотке.
Почему на табличке 1440 об/мин, а не 1500?
Это асинхронный двигатель: его ротор отстаёт от поля на скольжение, при номинальной нагрузке около 4 %. Поле крутится со скоростью 1500 об/мин, двигатель четырёхполюсный.
Какой ток берёт двигатель?
По формуле I = Pн / (η · 1,73 · U · cos φ). Для трёхфазного двигателя на 380 В можно прикинуть 2 А на каждый киловатт. Для настройки теплового реле берут ток с таблички для той схемы, звезды или треугольника, в которой двигатель подключён.
Можно ли запустить трёхфазный двигатель от 220 В?
Да: через конденсаторы по схеме «треугольник с конденсатором», с потерей около трети мощности, или через частотный преобразователь с однофазным входом, который сам делает три фазы на выходе.
Почему шаговый двигатель пропускает шаги?
Ротор не успевает за полем: нагрузка больше момента, двигатель стартует сразу с большой частотой без разгона, мал ток драйвера или просело питание. Ротор отстаёт сразу на 4 шага или кратное число, а контроллер продолжает считать импульсы. Помогают плавный разгон в настройках контроллера, правильный ток драйвера, режим двух фаз или двигатель с запасом по моменту, а для полной уверенности датчик положения на валу.
Где разобрать двигатели подробнее?
В уроке по шагам «Электродвигатели»: вращающееся поле, скольжение и полюса, пуск и перегрузка, ток и cos φ, синхронный, однофазный и шаговый двигатели, табличка и выбор двигателя, задачи с проверкой. Как подключить двигатель звездой и треугольником, через пускатель и с реверсом, показывает стенд асинхронного двигателя, а как менять скорость, стенд частотного преобразователя. Откуда берутся три фазы, показывает модель генератора.