Трехфазный электродвигатель

Электродвигатель — важный элемент промышленного оборудования, насосов и других агрегатов. К преимуществам этого типа моторов относят отсутствие ядовитых выхлопов и высокую эффективность. 

В этой статье рассматривается один из наиболее распространенных типов электродвигателей в промышленности — трехфазные.

Особенности конструкции

Устройство трехфазного двигателя включает две основные части:

• Статор. Представляет собой неподвижный контур. В нем установлены три рабочие обмотки, под углом 120° друг к другу. Они расположены по кругу и полностью охватывают область, в которой размещена подвижная деталь электромотора — ротор.

• Ротор. В классическом трехфазном двигателе это цилиндрическая конструкция из стальных стержней в виде «беличьей клетки». Ротор свободно вращается на валу, закрепленном на системе подшипников. Они позволяют снизить силу трения при вращении, уменьшить износ трущихся поверхностей, увеличить КПД электромотора.

Принцип действия трехфазного двигателя

Принцип действия трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором состоит в создании вращающегося с постоянной скоростью электромагнитного поля. Достигается эффект последовательным включением обмоток статора. При подаче переменного напряжения они превращаются в электромагниты с постоянно меняющейся полярностью. Частота этой смены постоянна, что в итоге и создает эффект вращающегося магнитного поля.

При этом важно, чтобы обмотки включались именно последовательно. Это обеспечивает максимальную эффективность работы электрического трехфазного двигателя. Каждая обмотка на этапе своего включения придает ротору ускорение. При соблюдении последовательности включения их усилия складываются, позволяя максимально эффективно расходовать энергию.

Способ подключения электродвигателя

Основной способ подключения трехфазного электродвигателя — это источник напряжения с тремя фазами, меняющимися с углом сдвига 120°. В зависимости от применяемого стандарта обозначения выводы могут маркироваться:

• Арабскими цифрами 1-3, указанными после L. Так, L1 соответствует первой фазе, L3 — третьей. Такие обозначения можно встретить на распределительных устройствах и электрощитах. 

• Буквами A, B, C. Логика аналогичная — A соответствует первой фазе, C третьей.

На корпусе короткозамкнутый трехфазный электродвигатель имеет прикрепленную табличку с обозначением выводов. Обычно контакты объединены в матрицу размером 2×3. Три из них, предназначенные для подключения фаз, маркируются одной из вышеперечисленных систем. 

Если табличка не сохранилась или не читаема, установить порядок фаз/обмоток можно по инструкции, запросить эту информацию на форумах в интернете, указав модель. 

Существуют эмпирические методы, позволяющие выяснить контакты подключения обмоток трехфазного двигателя. Они состоят в последовательной подаче напряжения на них и определении места наибольшей напряженности магнитного поля, создаваемого ими.

Схемы соединения обмоток

Важный момент — способ соединения обмоток трехфазного электромотора. Схема подключения двигателя выбирается исходя из значения напряжения питающей сети:

• Треугольник. В этом случае конец обмотки 1 соединен с началом 2, конец 3 с началом 1.

• Звезда. Концы обмоток соединяются в одной точке. Фазы подводятся к их началам. В этом случае напряжение на обмотках оказывается сравнительно ниже. 

Для большинства промышленных агрегатов доступен выбор схемы: треугольник и звезда, в зависимости от решаемых задач. 

Переключение схем выполняется физической перестановкой перемычек на матрице выводов. Предварительно стоит изучить обозначение контактов, чтобы точно определить начала и концы электромагнитных катушек. Одним из распространенных стандартов считается использование букв u, v, w для обозначения номера обмотки. Цифрами 1 и 2 обозначают соответственно начало и конец. 

Второй стандарт использует букву С и цифру после нее — от 1 до 6. В этом варианте первая обмотка будет обозначена С1 – С4. Если провести соответствие с первым стандартом, то u1=C1, u2=C4.

Таким образом, при схеме треугольник нужно соединить перемычками выводы С1 и С6, С2 и С4, С3 и С5. А при звезде — С4, С5 и С6. Выполняется соединение идущими в комплекте тремя перемычками. 

Отметим, что некоторые электрики на производственных предприятиях реализуют автоматическое — по таймеру, переключение двух схем подключения, в зависимости от стадии работы электромотора. При старте используется звезда для снижения пускового тока. При выходе в рабочий режим — треугольник, как гарантирующий максимальный крутящий момент. Для этого электродвигатель подключается через два контактора с разной схемой соединения.

Преимущества использования трехфазных двигателей

Главным преимуществом трехфазных двигателей считается простота конструкции и долговечность. При регулярном обслуживании системы подшипников, на которых закреплен вал ротора, можно обеспечить долгий срок службы до 20 лет и более. При эксплуатации в агрессивных средах долговечность снижается. Поэтому при установке электродвигателей стараются обеспечить их защиту от прямого попадания осадков, перегрева и других негативных факторов.

Еще один плюс мотора такой системы — постоянная скорость вращения ротора при выходе на рабочий режим. Трехфазный электродвигатель с описанной выше схемой работы называется асинхронным. Скорость вращения его ротора отстает от частоты смены фаз подаваемого напряжения. Отставание обусловлено возникающими силами трения. И называется величиной скольжения.

Поэтому асинхронный электромотор при выходе на рабочий режим обеспечивает стабильную скорость вращения. Что упрощает разработку подключаемых к нему агрегатов и оборудования. При резком росте нагрузки ротор несколько замедляется. Но при возвращении ее к нормальному значению также быстро разгоняется снова.

Еще одним эксплуатационным преимуществом асинхронного электромотора считается высокая ремонтопригодность. Вышедшие из строя подшипники могут заменяться по мере износа на новые. При повреждении обмоток они могут быть восстановлены. Перемоткой электродвигателей занимается большое количество электротехнических компаний. Важно выдержать толщину провода и его длину в пределах использованных производителем значений. В этом случае эксплуатационные свойства мотора восстанавливается практически до состояния нового агрегата.

Как изменить скорость вращения ротора

В некоторых системах невозможность изменения скорости вращения ротора может оказаться минусом. В этом случае инженеры применяют два метода решения проблемы:

• Установкой редукторов, ременных и цепных передач с различным диаметром шкивов. Эти сравнительно простые приспособления позволяют получить нужную скорость вращения ротора, не нарушая оптимальный режим работы мотора.

• Установкой преобразователя частоты. Изменяя частоту смены фаз, можно несколько увеличить или уменьшить скорость вращения ротора. Достигается это за счет изменения параметров вращающегося электромагнитного поля, образованного обмотками трехфазного электродвигателя. 

Отметим, что если в первом случае нагрузка на механизм электромотора остается в пределах заложенной инженерами, то во втором — применение преобразователя частоты от нее отклоняется. Что может привести к перегреву, ускорению износа подвижных частей. Недостатком первой схемы с использованием ременной передачи, шестерней считается увеличение сложности конструкции агрегата. 

Особенности подключения

Для эффективной работы трехфазного электромотора важна правильность подключения: соответствие обмоток и фаз. Поэтому наилучшим способом станет присоединение агрегата к сети трехфазного электроснабжения 380 В. Теоретически можно использовать и однофазную сеть. Но с применением дополнительных приспособлений:

• Конденсаторная система. Схема позволяет с известным приближением симулировать три фазы с подходящим для работы электромотора углом сдвига. Но при этом возникают потери энергии, которые приводят к снижению КПД.

• Преобразователь частоты. Устройство позволяет преобразовать однофазное напряжение в трехфазное. Наиболее эффективными считаются ПЧ на основе электронных компонентов. В этом случае удается свести потери энергии к минимуму. Но увеличивается сложность и стоимость изделия.

Еще одной важной особенностью подключения является большая мощность агрегата. В трехфазном исполнении поставляются моторы от 500 Вт и более. А максимальная мощность электродвигателей, например, для насосного оборудования, может достигать 500 кВт. Это обстоятельство требует при подключении следующих мероприятий:

• Обеспечение электрозащиты. Подключение мощных агрегатов выполняется к соответствующим распределительным устройствам с элементами электрической защиты. Это автоматические выключатели, устройства защитного отключения. Элементы позволяют предотвратить аварийные ситуации, снизить пожарную опасность и обеспечить защиту персонала от поражения электрическим током.

• Обеспечение плавного пуска. Производителями разработаны устройства плавного пуска — УПП, позволяющие сделать подачу мощности на мотор постепенно нарастающей. Эти системы решают две основные задачи. Снижают нагрузку на оборудование при запуске мотора в работу. Уменьшают влияние возникающего пускового тока в системе электроснабжения на других подключенных потребителей. 

Устройства плавного пуска могут строиться на различных схемах. Наибольшую эффективность обеспечивают УПП на базе преобразователя частоты и электронных компонентов. Есть модели, позволяющие гибко настроить схемы разгона и торможения. Производитель позволяет выбрать один из предварительно реализованных алгоритмов или гибко настроить параметры определенных пределах. 

Важной составляющей долговечности УПП является переход в режим байпас. После окончания разгона и выхода на рабочий режим устройство полностью отключается от схемы электроснабжения трехфазного электромотора. Далее напряжение подается напрямую на обмотки.

Как избежать перегрева обмоток

При установке трехфазных электродвигателей необходимо обеспечить условия, исключающие перегрев его обмоток. Для этого применяются следующие методы:

• Мощность электромотора подбирается таким образом, чтобы он работал без перегрузки. В то же время нагрузка должна быть не менее половины от максимальной. В этом случае обеспечивается оптимальные режим работы, охлаждения.

• Не допускается эксплуатация с постоянно повышенным напряжением в сети. Так как это ведет к перегреву обмоток и быстрому выходу агрегата из строя.

• Обеспечивается дополнительное охлаждение с помощью водной рубашки или иными средствами при работе в условиях повышенной температуры. Например, при использовании трехфазного электромотора в насосном оборудовании для систем горячего водоснабжения, отопления.

При выборе аналога на замену вышедшему из строя агрегату ориентируются на технические характеристики и способ монтажа. Типовые модели могут иметь аналогичные размеры. И даже совпадающие отверстия под винты для крепления на платформе.

При эксплуатации в топливном оборудовании применяются специально подготовленные для такой работы взрывозащищенные трехфазные электродвигатели. При их изготовлении используются материалы, не образующие искры при случайном механическом контакте, применяются безопасные схемы подключения электрических проводов. Их стоимость несколько выше, чем у стандартного исполнения.

Автор статьи: Александр Шихов