Эксплуатация электрических машин и аппаратуры — Различные неисправности трехфазных асинхронных двигателей

Эксплуатация электрических машин и аппаратуры — Различные неисправности трехфазных асинхронных двигателей

Содержание материала

Повреждение одного или нескольких стержней беличьей клетки короткозамкнутого ротора.

В настоящее время указанная неисправность встречается относительно часто в роторах, залитых алюминием под давлением.
При работе двигателя с поврежденными роторными стержнями скорость вращения ротора с одинаковой нагрузкой будет меньше, чем в таком же двигателе с исправным ротором. В отдельных случаях двигатель с поврежденными стержнями ротора может вообще не развернуться до рабочей скорости вращения ротора даже при малой нагрузке. При значительном количестве поврежденных стержней ротор загруженного двигателя останавливается, двигатель терпит аварию, если он не отключается от сети действием защиты. Во всех случаях двигатель с поврежденными роторными стержнями, работающий под нагрузкой, потребляет из сети повышенный ток и перегревается больше исправного двигателя.
Иногда наблюдается выход из строя роторных стержней, сделанных из латуни или меди. Такие явления чаще всего бывают при внезапном заклинивании приводного механизма или при пуске двигателя, приводящего во вращение неисправные механизмы с большими маховиками.
Если при эксплуатации двигателя появятся признаки неисправности беличьей клетки ротора, необходимо двигатель разобрать и проверить роторные стержни. Рекомендуется проверять целость стержней при профилактических ремонтах двигателя.

Рис. 112. Проверка целости стержней короткозамкнутого ротора:1 — электромагнит переменного тока; 2 — проверяемый ротор; 3 — лист электрокартона со стальными опилками.

Проверять исправность беличьей клетки ротора лучше всего электромагнитом переменного тока и листом электрокартона с чугунными или стальными опилками.
Ротор ставят в раздвижной электромагнит, как показано на рисунке 112.

В обмотку электромагнита включают ток, переменным магнитным потоком наводится э. д. с. во всех роторных стержнях, ток протекает только по целым стержням. На поверхность ротора накладывают лист электрокартона со стальными опилками.
Вдоль целых роторных стержней опилки рассыпаются, на них действует магнитное поле стержней с током. Если стержни поврежденные, опилки не рассыпаются.

Обрыв одной фазы ротора двигателя с контактными кольцами.

При обрыве одной фазы в роторной цепи двигателей с контактными кольцами возникает так называемый эффект Гёргеса — при работе двигателя скорость ротора снижается примерно в два раза, статорный ток резко возрастает до опасных пределов; при пуске двигателя скорость ротора не превышает половины номинальной. Статорный ток большой.
Этот эффект возникает независимо от того, где произошел обрыв: в обмотке ротора, в щеточном аппарате или в реостате. Для выявления неисправности необходимо отсоединить реостат от роторной цепи и поочередно проверить целость цепей ротора, щеточного аппарата и реостата контрольной лампой. Сначала надо проверить целость обмотки ротора, касаясь концами контрольной лампы поочередно первого и второго, второго и третьего, первого и третьего колец.

Рис. 113. Проверка целости обмотки фазового ротора:
1 — ротор; 2 — контактные кольца.

Так же проверяют надежность контактов щеток с кольцами и целость проводников, соединяющих щетки с клеммником ротора, и реостат. Каждая из трех проверок должна быть сделана при всех положениях переключателя реостата. Если проверяемая цепь исправна, лампа горит Схема проверки целости обмотки показана на рисунке 113.

Обрыв одной фазы сети, питающей статор.

Если обрыв произошел во время работы двигателя и нагрузка его не превышает половины номинальной, двигатель продолжает работать с несколько большим потреблением энергии из сети, скорость его понижается незначительно. При больших нагрузках двигатель останавливается, обмотка выходит из строя, если нет надлежащей защиты. Двигатель после остановки не может быть запущен даже на холостом ходу, так как вместо вращающегося магнитного поля при трех фазах есть пульсирующее магнитное поле. Обрыв одной из фаз питающей сети чаще всего бывает вследствие перегорания одной из плавких вставок, защищающих двигатель. При подозрении на обрыв одной из фаз сети следует двигатель остановить и пустить его вновь на холостом ходу. Если фаза оборвана, двигатель гудит и не разворачивается.
Найти отсутствующую фазу легче токоизмерительными клещами. Для определения такой фазы достаточно двигатель включить на короткое время и быстро измерить ток во всех фазах. В оборванной фазе тока не будет.
Отсутствующие фазы можно проверить и контрольной лампой. Для этого питающие провода отсоединяют от двигателя и ставят под напряжение, трижды подключают один из концов лампы поочередно к каждому проводу, а другой — к корпусу двигателя. На поврежденном проводе лампа гореть не будет. Если трансформатор, питающий данную электроустановку, с изолированной нейтралью, лампу следует включить между линейными проводами первым и вторым, вторым и третьим, первым и третьим. Лампа будет гореть из трех включений только один раз на целых проводах.
При проверках напряжение лампы должно соответствовать

Рис. 114. Работа асинхронного электродвигателя по схеме открытого треугольника. Показания амперметра А2 в 1,73 раза больше показаний амперметров А1 и А3.
напряжению сети: в первом случае фазному, во втором линейному.

Внутренний обрыв одной фазы обмотки статора.

При соединении обмотки звездой внутренний обрыв одной фазы дает такие же результаты, как при обрыве одной фазы питающей сети. Соединяя обмотку статора треугольником, внутренний обрыв одной фазы трудно заметить сразу. В этом случае обмотки двух целых фаз двигателя окажутся подключенными к сети по схеме открытого треугольника, как показано на рисунке 114. Током, протекающим по обмотке статора, создается вращающееся магнитное поле, и двигатель хорошо берет с места, развивает нормальную скорость. Во время работы под нагрузкой двигатель потребляет из сети повышенный ток: две фазы статора, оставшиеся в работе, перегреваются. Двигатель потребляет из сети больше энергии, чем в нормальном режиме, и в отдельных случаях может развить момент, близкий к номинальному при сильном перегреве двух работающих фаз. Нередко обмотка двигателя полностью выходит из строя при работе двигателя по схеме открытого треугольника. Указанную неисправность можно определить, измерив линейный ток в фазах работающего двигателя. Ток в одной из фаз при открытом треугольнике примерно в 1,7 раза больше тока двух других фаз.

Витковое замыкание в обмотке статора.

При таком замыкании двигатель сильно гудит, величина тока во всех фазах неодинакова, если двигатель под нагрузкой, ротор вращается с пониженной скоростью. Через некоторое время после возникновения виткового замыкания двигатель дымит, появляется характерный запах горящей изоляции.

Витковое и междуфазное замыкание в обмотке ротора двигателя с контактными кольцами.

При таком замыкании обмотка ротора перегревается, ток в фазах статора колеблется, обмотка статора нагревается больше обычного, при пуске и работе с сопротивлением роторной цепи обмотка ротора дымит.
Если замкнутых витков много, ротор без нагрузки разворачивается даже при разомкнутых кольцах, а под нагрузкой двигатель долго разворачивается и сильно нагревается.
При междуфазном замыкании в обмотке ротора двигатель разворачивается при разомкнутых кольцах чаще всего до половинной скорости, а по обмотке статора протекает колеблющийся ток, который может быть больше номинального значения.

Неисправности щеточного аппарата в двигателях с контактными кольцами.

Эти неисправности внешне в конечном счете приводят к искрению щеток, иногда происходит пробой изоляции между кольцами в процессе пуска двигателя, так как напряжение между кольцами в этот момент имеет максимальное значение.
При эксплуатации щетки искрят чаще из-за ослабления щеточных пружин. Усилие, с которым пружина прижимает щетку к кольцу, можно определить динамометром. Ориентировочная величина усилия в килограммах должна соответствовать подсчитанной по формуле:
F = 0,255 [кГ],
где 0,25 — удельное давление на меднографитную щетку, кГ/см2;
S — площадь щетки, см2.
Повышенное давление на щетку также вызывает искрение, щетки перегреваются от повышенного трения. При замене сносившихся щеток новыми следует поставить щетки той же марки, в противном случае может появиться искрение. Новые щетки должны свободно двигаться в обойме щеткодержателя. Перед пуском двигателя щетки надо пришлифовать к кольцам.
Контактные кольца должны быть цилиндрическими, без биения. При биении колец щетки перемещаются в обоймах щеткодержателей, если биения нет, щетки неподвижны. Искрение щеток может
быть из-за слабого крепления колеи, из-за неровной контактной поверхности колец.
В процессе работы двигателя щеточный аппарат загрязняется меднографитовой пылью, а иногда и смазкой от ближайшего подшипника. Все это обусловит появление искрения и перекрытия щеточного аппарата дугой.

Отклонение напряжения питающей сети от номинального значения.

Напряжение сельских электрических сетей колеблется в значительных пределах, официально узаконено отклонение напряжения на ±7,5% от номинального. Однако эти отклонения бывают значительно больше. При повышенном напряжении сети активная сталь машины равномерно перегревается даже при отсутствии нагрузки, двигатель потребляет из сети повышенный намагничивающий ток. При значительных повышениях напряжения изоляция обмотки статора разрушается вследствие перегрева ее от высокой температуры активной стали и большой величины намагничивающего тока. Эксплуатировать электродвигатели при повышенных напряжениях не рекомендуется.
При пониженном напряжении сети активная сталь машины не перегревается, а обмотки перегреваются, так как двигатель потребляет повышенный ток при поминальной нагрузке. В случае понижения напряжения необходимо уменьшить нагрузку на двигатель, чтобы он потреблял из сети номинальный ток. При значительных уменьшениях напряжения затрудняется пуск двигателя — резко уменьшается его пусковой момент. При длительных понижениях напряжения сети его следует повысить перестановкой анцапф силового трансформатора. Понижение напряжения возможно также из-за недостаточного сечения линии электропередачи. В этом случае повысить напряжение можно, увеличив сечение линии или заменив марки проводов (например, вместо алюминиевых медные такого же сечения). При замене сечения или марки проводов следует учитывать механическую прочность опор линии электропередач, если новые провода тяжелее старых.

Неравномерный воздушный зазор между активной сталью ротора и статора.

Это может возникнуть вследствие износа замков подшипниковых щитов, слабой посадки подшипников в щиты, прогиба вала и т. д. При неравномерном воздушном зазоре активная сталь вращающегося ротора задевает за активную сталь статора, что вызывает межлистовые замыкания стали. В отдельных случаях обмотки двигателя выходят из строя, так как зубья активной стали статора могут сдвинуться, из-за чего возникнет витковое, или междуфазное, замыкание в обмотке статора. При неравномерном воздушном зазоре некоторые двигатели запускают из какого-нибудь одного определенного положения ротора.

Местные перегревы активной стали статора.

В отдельных случаях эта активная сталь неравномерно нагревается, что вредно отражается на изоляции обмотки. Отдельные места активной стали нагреваются из-за отсутствия изоляции между листами.
Межлистовые замыкания появляются тогда, когда ротор задевает статор или при наличии оплавлений активной стали вследствие витковых или междуфазных замыканий в обмотке статора. Обнаружить межлистовые замыкания можно при разборке двигателя.

Повышенная вибрация двигателя.

В условиях эксплуатации повышенная вибрация двигателя происходит из-за неправильной центровки его с приводным механизмом или ослабления крепления двигателя к фундаментной плите. Значительно реже в двигателе возникает вибрация, потому что не сбалансирован ротор. Эксплуатация двигателя с повышенной вибрацией недопустима.

Перегрузка двигателя.

Если двигатель перегружен, то при номинальном напряжении сети ток в фазах двигателя превышает номинальное значение, скорость ротора несколько ниже паспортной, обмотки двигателя равномерно перегреваются. При значительных перегрузках обмотки выходят из строя в короткий срок. В случае перегрузки двигателя необходимо немедленно уменьшить нагрузку до такой величины, чтобы ток в фазах не превышал паспортного значения.

Соединение обмоток электродвигателя: звезда и треугольник

Асинхронные двигатели имеют множество преимуществ, среди которых можно выделить высокий уровень производительности, надежность эксплуатации, сравнительно невысокую стоимость, невысокие требования в обслуживании и при ремонте. К тому же асинхронные двигатели достаточно хорошо переносят механические нагрузки. Все перечисленные преимущества обусловлены простотой конструкции. Но, несмотря на широкий ряд достоинств можно выделить и некоторые слабые стороны.

На практике при подключении двигателя можно применить один из двух трехфазных способов соединения с электросетью. К таковым способам относят подключение по типу «звезда» или по типу «треугольник».

При соединении трехфазного двигателя способом «звезда» соединение концов обмоток статора производится в одной точке. Трехфазное напряжение, в этом случае, подается на начала обмоток.

При выполнении соединения трехфазного двигателя способом «треугольник» обмотки статора присоединяют друг за другом в последовательном порядке. Начало следующей обмотки соединяют с концом предыдущей и т. д.

Если провести практический анализ теоретических и технических основ электротехники, то становится ясно, что электродвигатели, работающие от схемы «звезда» в эксплуатации запускаются более плавно и функционируют мягче сравнительно с двигателями, подключенными по схеме «треугольник». Но, в то же время асинхронные двигатели с обмотками соединенными способом «треугольник» набирают значительно большую мощность. При соединении звездой такого не достичь. При соединении «треугольник» электродвигатель способен функционировать на максимальной мощности, заявленной в технических характеристиках. Следует учесть, что пусковые токи здесь будут иметь высокие значения. Если сравнивать работу электродвигателей подключенных по разным схемам, можно сделать вывод, что при треугольнике мощность выдается на полтора раза выше, чем при подключении звездой.

Беря за основу вышеизложенную информацию, для снижения токов при запуске логично применять соединение обмоток в комбинационной схеме «звезда-треугольник». Данный вид подключения особенно актуален для асинхронных двигателей с высокой мощностью. При использовании схемы «звезда-треугольник» непосредственный запуск происходит по типу «звезда», а после того как набраны обороты происходит автоматическое переключение на схему «треугольник».

Также можно использовать еще одну схему управления асинхронным двигателем, которая заключается в следующем.

На контакт NC (нормально замкнутый) реле времени K1, а также на контакт NC реле K2, в цепи катушки пускателя КЗ, происходит подача напряжения питания.

После включения пускателя КЗ нормально закрытыми контактами КЗ происходит расцепление цепи катушки пускателя К2. Контакт К3 в цепи питания катушки пускателя К1 замыкается.

При запуске магнитного пускателя К1, в цепи питания его катушки замыкают контакты К1. В этот же период включается реле времени. Контакт данного реле К1 в цепи катушки пускателя К3 размыкается. А в цепи катушки пускателя K2 – замыкается.

Во время отключения обмотки пускателя К3 произойдет замыкание контакта К3 в цепи К2. При включении К2 произойдет размыкание цепи питания катушки пускателя К3.

Трёхфазное напряжение питания будет подано на начало каждой обмотки W1, U1 и V1 за счет силовых контактов пускателя К1. После срабатывания магнитного пускателя К3, за счет его контактов произойдет замыкание, затем между собой должны соединиться концы каждой обмотки двигателя W2, V2 и U2. Так происходит подключение обмоток по типу «звезда».

Спустя некоторый промежуток времени произойдет срабатывание реле времени с магнитным пускателем К1, затем отключится магнитный пускатель К3 и включится К2. Силовые контакты К2 замкнутся и питание пойдет на концы каждой обмотки двигателя. Двигатель заработает по схеме «треугольник».

Для запуска электродвигателя по типу «звезда-треугольник» у разных производителей выполнены специальные пусковые реле.

Типовую схему запуска «звезда-треугольник» рассмотрите на рисунке ниже.

Для снижения пусковых токов электродвигатель должен запускаться в определенной последовательности:

На пониженных оборотах по типу соединения «звезда»;

Переход на схему «треугольник».

Первоочередный пуск по типу «треугольник» создает максимальную нагрузку, а следующее соединение «звезда» с меньшим пусковым моментом продолжит работу в номинальном режиме. При наборе оборотов двигателя автоматически осуществится переход на соединение «треугольник». Важно понимать, что нагрузка, созданная перед запуском на валу, скажется на ослаблении при соединении схемой «звезда». Исходя из этого маловероятно, что такой способ запуска подойдет для двигателей с высокой нагрузкой, ведь при таких условиях они утрачивают работоспособность.

В качестве заключительного аккорда рассмотрим основные преимущества и недочеты каждого из способов подключения.

Преимущества подключения по типу «звезда»:

Устойчивость и возможность эксплуатации двигателя длительное время;

Высокий уровень надежности долговечности благодаря сниженной мощности электродвигателя;

Максимально плавный запуск электропривода;

Возможный допуск кратковременных перегрузок;

Исключен перегрев корпуса двигателя.

Есть типы оборудования, у которого концы обмотки соединены внутри. К колодке подводятся лишь три вывода, и использовать другой вид подключения нет возможности. Электроустановки такого типа не требуют работы узкого специалиста для соединения.

Преимущества подключения электродвигателя по типу «треугольник»:

Возможность увеличения до максимальных показателей уровня мощности электродвигателя;

Применение реостата для запуска;

Повышение вращающегося момента;

Высокие усилия тяги.

Отдельное внимание следует уделить и недостаткам:

Высокое потребление электроэнергии при пуске;

Перегрев двигателя в условиях длительной эксплуатации.

Основные преимущества комбинации:

Значительное продление срока эксплуатации электроустановки;

Исключение возникновения неравномерных нагрузок;

Сохранение механических элементов двигателя;

Наличие двухуровневой мощности.

Для соединений обмоток асинхронных двигателей необходимо использовать специальные термостойкие колодки. Компания «Термоэлемент» предлагает специально разработанные моторные колодки из стеатита для электродвигателей, которые предназначены именно для работы с данными электротехническими устройствами. Клеммные колодки со стеатитовым корпусом легко выдерживают температурную нагрузку до 800°С даже при длительной эксплуатации. У нас вы можете купить клеммные колодки в любом количестве и для любых высокотемпературных применений.

Асинхронный двигатель

1. Применение асинхронных двигателей в стиральных машинах

2. Устройство асинхронного двигателя

3. Принцип работы конденсаторного асинхронного двигателя

4. Неисправности и диагностика. Пуск асинхронного двигателя стиральной машины

Характерный признак неисправности при работе конденсаторных асинхронных двигателей проявляется как правило в ослаблении вращающего момента, вследствие чего ротор двигателя, особенно под нагрузкой, не в силах совершить полный оборот.Из-за этого в стиральной машине, барабан с бельём совершает неполные покачивающие движения напоминающие колебание маятника. В подобных двигателях стиральных машин можно выделить несколько причин такой неисправности.
Самая распространённая причина — это потеря ёмкости пускового конденсатора, из-за чего сдвиг фаз токов пусковой и рабочей обмотки становится незначительным и не создаётся мощного вращающего момента ротора двигателя. Хотя при этом в режиме холостого хода (без нагрузки) двигатель может запускаться нормально. Подобная проблема не относится непосредственно к неисправности самого двигателя. В этом случае требуется только замена пускового конденсатора.
Другая причина — это межвитковое замыкание одной из обмоток двигателя. Причём поведение в работе двигателя иногда схоже с потерей ёмкости пускового конденсатора, но сопровождается сильным нагревом статорной обмотки, завышенным потребляемым током, иногда появляется запах гари и характерный гудящий звук. Иногда, при межвитковом замыкании в цепи обмоток режима отжима, обмотки режима стирки могут быть абсолютно исправны и работать нормально, и наоборот. В этом случае двигатель подлежит замене. Если нет возможности его заменить, то можно обратиться на предприятие где профессионально занимаются ремонтом электродвигателей.
Иногда при неисправности в двигателе одна или несколько обмоток могут быть в полном обрыве.
В остальных случаях проблем работы двигателей, можно выделить неисправности связанные с коммутирующими устройствами и модулями управления, но это мы не будем рассматривать в данном материале.

5. Режимы работы и коммутация обмоток асинхронного двигателя в стиральных машинах

• Двигатель не вращается

• Двигатель вращается по направлению часовой стрелки

• Двигатель вращается против направления часовой стрелки

6. Преимущества и недостатки однофазных асинхронных двигателей

7. Частые вопросы

• Для чего нужен конденсатор в цепи пусковой обмотки электродвигателя?

Конденсатор в асинхронных двигателях используется для сдвига фаз токов пусковой и рабочей обмотки, в результате чего возникает вращающееся магнитное поле. Сдвиг фаз обязательное условие для работы конденсаторных асинхронных однофазных двигателей.

• Какая ёмкость пускового конденсатора применяется для пуска асинхронных двигателей стиральных машин?

Для каждого типа двигателей индивидуально подбирается значение ёмкости конденсатора. Самые распространённые номиналы ёмкостей (ёмкость конденсатора измеряется в микрофарадах): 8,5 мкф, 11,5 мкф, 12,5 мкф, 14 мкф,16 мкф, 18 мкф, 20 мкф, 22 мкф и 25 мкф. Но самые распространённые 14 мкф и 16 мкф.

• Почему рабочее напряжение пускового (фазосдвигающего) конденсатора должно быть не менее 400 вольт?

Фазосдвигающий конденсатор устанавливается в цепи обмоток статора, которые обладают большой индуктивностью. При работе электродвигателя, особенно при его пуске и остановке, на обмотках высвобождается большая электродвижущая сила самоиндукции (ЭДС самоиндукции), в виде всплесков повышенного напряжения 300-600 вольт, приложенная именно к конденсатору. Если установить конденсатор с меньшим допустимым рабочим напряжением, то он выйдет из строя.

• Что произойдёт, если вместо конденсатора номинальной ёмкости предназначенного для оптимальной работы двигателя установить конденсатор большей или меньшей ёмкости?

Если величина ёмкости фазосдвигающего конденсатора выбрана больше, чем требуется при данных конкретных условиях работы электродвигателя, то двигатель будет быстро перегреваться. Если величина ёмкости выбрана меньше требуемой, то вращающий пусковой момент ослабнет, что может вызвать затруднённое вращение барабана с бельём в стиральной машине.

В электрической цепи с ёмкостным сопротивлением (конденсатором) ток опережает напряжение на угол «фи»=90°. Ток опережающий напряжение по фазе на 90°, называется реактивным или безваттным током, так как он не вызывает в цепи потребления мощности.
С включением последовательно пусковой обмотки и конденсатора, нарушается чисто ёмкостный (реактивный) характер цепи, в результате чего уменьшается угол сдвига фаз. Поэтому для каждого асинхронного однофазного двигателя ёмкость конденсатора пусковой обмотки подбирается таким образом,чтобы угол сдвига фаз тока относительно рабочей был близок к 90°.

Двигатели для работы на одной обмотке

Асинхронные электродвигатели широко применяются в промышленности благодаря относительной простоте конструкции, хорошим рабочим характеристикам, удобству управления.

Подобные устройства часто попадают в руки домашнего мастера и он, пользуясь знанием основ электротехники, подключает такой электродвигатель для работы от однофазной сети 220 вольт. Чаще всего его используют для наждака, обработки древесины, измельчения зерен и выполнения других простых работ.

Даже на отдельных промышленных станках и механизмах с приводами встречаются образцы различных двигателей, способных работать от одной или трех фаз.

Чаще всего у них используется конденсаторный запуск, как наиболее простой и приемлемый, хотя это не единственный способ, известный большинству грамотных электриков.

Принцип работы трехфазного двигателя

Промышленные асинхронные электрические устройства систем 0,4 кВ выпускаются с тремя обмотками статора. К ним прикладываются напряжения, сдвинутые по углу на 120 градусов и вызывающие токи аналогичной формы.

Для запуска электродвигателя токи направляют таким образом, чтобы они создали суммарное вращающееся электромагнитное поле, оптимально воздействующее на ротор.

Конструкция статора, используемая для этих целей, представлена:

2. магнитопроводом сердечника с уложенными в него тремя обмотками;

3. клеммными выводами.

В обычном исполнении изолированные провода обмоток собраны по схеме звезды за счет установки перемычек между винтами клемм. Кроме этого способа еще существует подключение, называемое треугольником.

В обоих случаях обмоткам назначено направление: начало и конец, связанное со способом монтажа — навивки при изготовлении.

Обмотки нумеруются арабскими цифрами 1, 2, 3. Их концы обозначаются К1, К2, К3, а начала — Н1, Н2, Н3. У отдельных типов двигателей подобный способ маркировки может быть изменен, например, С1, С2, С3 и С4, С5, С6 или другими символами либо вообще не применяться.

Правильно нанесенная маркировка упрощает подключение проводов питания. При создании на обмотках симметричной схемы расположения напряжений, обеспечивается создание номинальных токов, осуществляющих оптимальную работу электродвигателя. В этом случае их форма в обмотках полностью соответствует подводимому напряжению, повторяет его без каких-либо искажений.

Естественно, следует понимать, что это чисто теоретическое заявление, ибо на практике токи преодолевают различные сопротивления, незначительно отклоняются.

Наглядному восприятию происходящих процессов помогает изображение векторных величин на комплексной плоскости. Для трехфазного двигателя токи в обмотках, создаваемые приложенным симметричным напряжением, изображаются следующим образом.

При питании электродвигателя системой напряжений с тремя равномерно разнесенными по углу и одинаковыми по величине векторами в обмотках протекают такие же симметричные токи.

Каждый из них образует электромагнитное поле, сила индукции которого наводит в обмотке ротора собственное магнитное поле. В результате сложного взаимодействия трех полей статора с полем ротора создается вращательное движение последнего, обеспечивается создание максимальной механической мощности, вращающей ротор.

Принципы подключения однофазного напряжения к трехфазному двигателю

Для полноценного подключения к трем одинаковым статорным обмоткам, разнесенных по углу на 120 градусов, два вектора напряжения отсутствуют, имеется только один из них.

Можно подать его всего в одну обмотку и заставить ротор вращаться. Но, эффективно использовать такой двигатель не получится. Он будет обладать очень малой выходной мощностью на валу.

Поэтому возникает задача подключения этой фазы таким образом, чтобы она в разных обмотках создавала симметричную систему токов. Другими словами, нужен преобразователь напряжения однофазной сети в трехфазную. Подобная задача решается разными методами.

Если отбросить сложные схемы современных инверторных установок, то можно реализовать следующие распространенные способы:

1. использование конденсаторного запуска;

2. применение дросселей, индуктивных сопротивлений;

3. создание различных направлений токов в обмотках;

4. комбинированный способ с выравниванием сопротивлений фаз для образования одинаковых амплитуд у токов.

Кратко разберем эти принципы.

Отклонение тока при прохождении через емкость

Наиболее широко практикуется конденсаторный запуск, позволяющий отклонять ток в одной из обмоток за счет подключения емкостного сопротивления, когда создается опережение тока от вектора приложенного напряжения на 90 градусов.

В качестве конденсаторов обычно используются металлобумажные конструкции серий МБГО, МБГП, КБГ и подобные. Электролиты не приспособлены для пропускания переменного тока, быстро взрываются, а схемы, предусматривающие их использование, отличаются сложностью, низкой надежностью.

В этой схеме ток отличается по углу от номинальной величины. Он отклоняется всего на 90 градусов, не доходя на 30 о (120-90=30).

Отклонение тока при прохождении через индуктивность

Ситуация аналогична предыдущей. Только здесь ток отстает от напряжения на те же 90 градусов, а тридцати недобирает. Кроме того, конструкция дросселя не такая простая, как у конденсатора. Его надо рассчитать, собрать, настроить под индивидуальные условия. Этот способ не получил широкого распространения.

При использовании конденсаторов или дросселей токи в обмотках электродвигателя не доходят до требуемого угла на тридцатиградусный сектор, показанный красным цветом на картинке, что уже создает повышенные потери энергии. Но, с ними приходится мириться.

Они мешают созданию равномерного распределения сил индукции, создают тормозящий эффект. Точно оценить его влияние сложно, но при простом подходе деления углов получается (30/120=1/4) потеря 25%. Однако, можно ли так считать?

Отклонение тока подачей напряжения обратной полярности

В схеме звезды принято фазный провод напряжения подключать на вход обмотки, а нулевой — на ее конец.

Если в две разнесенные на 120 о фазы подать одно и то же напряжение, но разделить их, а во второй изменить полярность, то токи сдвинутся по углу относительно друг друга. Они станут формировать электромагнитные поля разного направления, влияющего на вырабатываемую мощность.

Только при этом способе по углу получается отклонение токов на небольшое значение — 30 о .

Этим методом пользуются в отдельных случаях.

Способы комплексного применения конденсаторов, индуктивностей, изменения полярности обмоток

Первые три перечисленных метода не позволяют поодиночке создавать оптимально симметричное отклонение токов в обмотках. Всегда возникает их перекос по углу относительно стационарной схемы, предусмотренной для трехфазного полноценного питания. За счет этого происходит образование противодействующих моментов, тормозящих раскрутку, снижающих КПД.

Поэтому исследователи провели многочисленные эксперименты, основанные на разных сочетаниях этих способов с целью создания преобразователя, обеспечивающего наибольшую эффективность работы трехфазного двигателя. Эти схемы с подробным разбором электротехнических процессов приводятся в специальной учебной литературе. Их изучение повышает уровень теоретических знаний, но в своем большинстве они редко применяются на практике.

Хорошая картина распределения токов создается в схеме, когда:

1. на одну обмотку подается фаза прямого включения;

2. на вторую и третью обмотки напряжение подключают через конденсатор и дроссель, соответственно;

3. внутри схемы преобразователя осуществляется выравнивание амплитуд токов за счет подбора реактивных сопротивлений с компенсацией дисбаланса активными резисторами.

Хочется обратись внимание на третий пункт, которому многие электрики не придают значения. Просто посмотрите на следующую картинку и сделайте вывод о возможности равномерного вращения ротора при симметричном приложении к нему сил одинаковых и разных по величине.

Комплексный метод позволяет создать довольно сложную схему. Она очень редко применяется на практике. Один из вариантов ее реализации для электродвигателя мощностью в 1кВт показан ниже.

Для изготовления преобразователя необходимо создать непростой дроссель. Это требует затрат времени и материальных средств.

Также трудности возникнут при поиске резистора R1, который будет работать с токами, превышающими 3 ампера. Он должен:

• обладать мощностью, превышающей 700 ватт;
• хорошо охлаждаться;
• надежно изолироваться от токоведущих частей.

Существует еще несколько технических сложностей, которые придется преодолеть для создания такого преобразователя трехфазного напряжения. Однако, он довольно универсален, позволяет подключать двигатели с мощностью до 2,5 киловатт, обеспечивает их устойчивую работу.

Итак, технический вопрос подключения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть решен посредством создания сложной схемы преобразователя. Но, он не нашел практического применения по одной простой причине, от которой невозможно избавиться — завышенное потребление электроэнергии самим преобразователем.

Мощность, затрачиваемая на создание схемы трехфазных напряжений подобной конструкцией, превышает минимум в полтора раза потребности самого электродвигателя. При этом суммарные нагрузки, создаваемые на подводящую питание электропроводку, сравнимы с работой старых сварочных аппаратов.

Электрический счетчик, к радости продавцов электроэнергии, очень быстро начинает перечислять деньги из кошелька домашнего мастера на счет энергоснабжающей организации, а это хозяевам совсем не нравится. В итоге сложное техническое решение создания хорошего преобразователя напряжения оказалось ненужным для практического применения в домашнем хозяйстве, да и на промышленных предприятиях тоже.

Допонительно

Схемы включения трехфазных асинхронных двигателей для работы от однофазных сетей:

Схемы а — е применяются в том случае, когда фазы обмотки статора жестко соединены в звезду или треугольник и у двигателя имеется только три выводных конца. Наилучшими из этих схем следует считать схемы в и е. При включении двигателя по этим схемам в случае правильного подбора емкости конденсатора он обладает вполне удовлетворительными пусковыми и рабочими свойствами.

Схемы ж и з применяются в случае, когда у двигателя имеется шесть выходных концов — начала и концы всех фаз. При таком соединении обмоток двигатель практически не отличается от обычного однофазного асинхронного двигателя с пусковым сопротивлением или емкостью.

Обмотки двух его фаз, соединенные последовательно, образуют рабочую обмотку, а обмотка третьей фазы — пусковую обмотку. Рабочая обмотка, как и в обычном однофазном двигателе с пусковым сопротивлением или емкостью, занимает 2/3 пазов статора, пусковая обмотка — 1/3 пазов.

При правильном выборе активного сопротивления или емкости этот двигатель может иметь примерно такие же пусковые и рабочие свойства, как и специально рассчитанный однофазный асинхронный двигатель с пусковой обмоткой. (Ю. М. Юферов. Электрические двигатели автоматических устройств)

4 заключительных вывода

1. Технически использовать однофазное подключение трехфазного двигателя можно. Для этого создано много разнообразных схем с различной элементной базой.

2. Практически применять этот способ для длительной работы приводов в промышленных станках и механизмах нецелесообразно из-за больших потерь энергии потребления, создаваемых посторонними процессами, ведущими к низкому КПД системы, повышению материальных затрат.

3. В домашних условиях схему можно использовать для выполнения кратковременных работ на неответственных механизмах. Длительно работать подобные устройства могут, но при этом оплата электроэнергии значительно возрастает, а мощность работающего привода не обеспечивается.

4. Для эффективной эксплуатации асинхронного двигателя лучше использовать полноценную трехфазную сеть питания. Если такой возможности нет, то лучше отказаться от этой затеи и приобрести специальный однофазный электродвигатель соответствующей мощности.

Ранее ЭлектроВести писали, что б ританская компания Swindon Powertrain предложила вариант преобразования любого топливного автомобиля в электрический, выпустив компактную и готовую к установке силовую установку High Power Density (HPD) мощностью 80 кВт.