В этой научно-популярной обзорной статье рассмотрим некоторые вопросы, которые позволят читателю расширить и закрепить свои знания о мире двигателей.
Экспресс-знакомство
В настоящее время на практике в подавляющем большинстве случаев применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Они имеют сравнительно простую конструкцию, и относительно недороги.
Для работы асинхронного двигателя нужно обязательно трехфазное напряжение, которое, благодаря обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле внутри двигателя. Это поле вращает ротор двигателя, который, в свою очередь, передает вращение на нагрузку. Например, редуктор или лопасти вентилятора.
Изменяя конфигурацию обмоток статора (количество пар полюсов), можно менять основную характеристику асинхронного двигателя — частоту оборотов. Мощность на валу двигателя зависит от мощности, получаемой электродвигателем от сети.
Другие виды
Другие двигатели, которые в настоящее время также находят применение — это электродвигатели постоянного тока. Они имеют щетки (рисунок 1), которые подвержены износу и искрению. Также, необходима обмотка подмагничивания (возбуждения), на которую подается постоянное напряжение. Несмотря на эти недостатки, электродвигатели постоянного тока находят применение там, где нужно быстрое изменение скорости вращения и контроль момента, а также при мощностях более 100 кВт.
Рисунок 1. Электродвигатель постоянного тока.
В быту также применяют коллекторные (щеточные) электродвигатели переменного тока, которые имеют низкую надежность по сравнению с асинхронными.
Другие типы двигателей — серводвигатели и шаговые двигатели — применяют сравнительно редко в случаях, когда необходимо сверхточное позиционирование нагрузки на валу. Например, в координатных станках.
В однофазной сети
Мы уже говорили выше, что для работы асинхронного двигателя нужно вращающееся магнитное поле, которое обеспечивается трехфазным напряжением.
Однако, часто есть необходимость питать такой двигатель от бытовой однофазной сети 220 В. В случае работы асинхронного двигателя в однофазной сети применяют фазосдвигающие и пусковые конденсаторы. При этом получают подобие трехфазной питающей сети. Номинальную мощность на валу получить не получится, приходится рассчитывать на 70–80% от номинала.
Это происходит из-за того, что не удается обеспечить отсутствие перекоса по фазам при изменении нагрузки.
Способы управления
Управление электродвигателем подразумевает возможность изменения его скорости и мощности (момента). Так, если на асинхронный двигатель подать напряжение нужной величины и частоты, он будет вращаться с номинальной частотой, и сможет обеспечить мощность на валу не более номинальной. Если же нужно понизить или повысить скорость электродвигателя, в основном применяют преобразователи частоты (ПЧ) — рисунок 2. Благодаря этому для двигателя можно обеспечить нужный режим разгона, торможения, а также управлять частотой работы оперативно, по желанию оператора оборудования.
Рисунок 2. Преобразователь частоты Schneider Electric.
Если нужно обеспечить требуемый разгон и торможение без изменения рабочей частоты, то применяют устройство плавного пуск (УПП). Если нужно управлять только разгоном двигателя для минимизации пусковых токов, то применяют схему включения «звезда-треугольник».
Для подачи питания на двигатель без ПЧ и УПП также широко применяются контакторы, которые позволяют дистанционно управлять пуском, остановом и реверсом.
Управление запуском
Запуск может происходить в простейшем случае от кнопки «Пуск». Но за этой кнопкой может скрываться, например, контроллер, который действует по сложной программе и выдает сигнал на запуск преобразователя частоты. Также кнопка запуска может быть непосредственно подключена ко входу управления ПЧ или УПП.
В классическом варианте, когда двигатель запускается через контактор, кнопка «Пуск» подает питание на катушку контактора, контактор включается, и своим дополнительным (блокировочным) контактом становится на самоподхват.
Остановка производится кнопкой «Стоп», которая обычно имеет нормально замкнутые контакты.
Направление вращения
Реверс двигателя — важная функция в его управлении. Осуществляется реверс очень простым способом — нужно поменять местами любые две питающие фазы.
Реализуется это в контакторной схеме путем использования двух контакторов, каждый из которых имеет свой порядок фаз. Контакторы имеют обязательно механическую и электрическую блокировки, чтобы избежать возможности одновременного включения.
Вращение может быть прямым и обратным. Прямое вращение распознать очень просто. Стоит посмотреть двигателю «в зад», и, если вал крутится по часовой стрелке — это прямое вращение.
Как определить мощность
Иногда нужно на практике узнать, какой двигатель перед нами. Проще всего определить номинальную мощность электродвигателя по его шильдику (рисунок 3). На нем указана механическая мощность (мощность на валу), которая всегда меньше потребляемой мощности за счет КПД двигателя (потерь на трение и нагрев). Однако, если шильдик на корпусе двигателя отсутствует, то можно ориентировочно определить мощность по его габаритам. При одинаковой мощности при большем диаметре вала мощность навалу будет больше, а частота оборотов — меньше.
Рисунок 3. Шильда механической мощности двигателя.
Также, определить мощность можно по нагрузке, а также по уставкам защитных устройств, через которые питается двигатель (мотор-автомат, тепловое реле).
Другой способ — нужно включить двигатель на номинальную мощность, обеспечив нужную нагрузку на валу. После этого, померить токоизмерительными клещами ток двигателя, который должен быть по всем обмоткам одинаков. На основании измеренного тока можно оценить мощность двигателя. Приблизительно оценить мощность асинхронного двигателя, при подключении его по схеме «звезда» можно, разделив его номинальный измеренный ток на 2.
Регулировка оборотов
Управление скоростью вращения двигателем может быть в трех режимах работы — при разгоне, в рабочем режиме, и при торможении.
Наиболее универсальным способом управления оборотами двигателя во всех перечисленных режимах является применение преобразователя частоты. Настройками можно добиться любой частоты вращения в пределах технической возможности. При этом можно управлять и другими параметрами электродвигателя, а также следить за его состоянием во время работы. Частоту можно менять и плавно, и ступенчато. Возможно управление от дистанционного пульта или с контроллера по цифровому каналу связи.
Управление оборотами двигателя только в режиме разгона и торможения возможно при использовании УПП — рисунок 4. Это устройство позволяет значительно снизить пусковой ток за счет плавного разгона с медленным увеличением оборотов.
Рисунок 4. Устройство управление оборотами двигателя ABB.
Торможение
В некоторых устройствах, например, лифтах, крайне необходимо при остановке двигателя зафиксировать его вал в неподвижном состоянии. Для этого применяют электромагнитный механический тормоз, который закреплен в задней части двигателя и входит в его конструкцию.
Управление тормозом происходит от ПЧ или схемы на контакторах. Важно, чтобы это происходило синхронно с остановом двигателя.
Рисунок 5. Электродвигатель с тормозом с креплением через фланец.
На рисунке 5 показан электродвигатель с тормозом с креплением через фланец. Также применяют электрическое торможение постоянным током. Для этого через ПЧ или диодный выпрямитель подают на обмотки двигателя постоянное (однополярное) напряжение в 3–4 раз меньше номинального рабочего.
Неисправности
Большинство неисправностей электродвигателей проявляется их нагревом.
Причины неисправностей могут быть следующие:
- износ подшипников и повышенное механическое трение;
- увеличение нагрузки на валу;
- перекос напряжения питания;
- пропадание фазы;
- замыкание в обмотке из-за ухудшения изоляции;
- проблема с обдувом (охлаждением).
Неисправности электродвигателей можно разделить на два вида: электрические и механические.
К электрическим можно отнести неисправности, связанные с обмоткой:
- межвитковое замыкание;
- замыкание обмотки на корпус;
- обрыв обмотки.
Для устранения этих неисправностей требуется перемотка двигателя.
Механические неисправности:
- износ и трение в подшипниках;
- проворачивание ротора на валу;
- повреждение корпуса двигателя;
- проворачивание или повреждение крыльчатки обдува.
Замена подшипников должна производиться регулярно, учитывая их износ и срок службы. Повреждение крыльчатки устраняется путем ее замены. Остальные неисправности устранению практически не подлежат, и в таких случаях двигатель подлежит замене.
Защита
Как было сказано выше, основной причиной неисправностей двигателя является его перегрев. Сам перегрев, как правило, является следствием каких-либо аномальных электрических или механических режимов работы.
Следовательно, предотвратив перегрев, можно отключить и сохранить двигатель в исправном состоянии. Для этого используются три основных способа:
Электронный контроль тока — этот способ используется в электронных устройствах пуска двигателей — ПЧ и УПП. С помощью встроенного трансформатора тока происходит его измерение, а встроенный контроллер принимает решение об остановке двигателя.
Тепловой контроль тока. Для этого применяются устройства тепловой защиты — тепловые реле или защитные мотор-автоматы. В них имеется возможность выставить точно токовую уставку, при которой реле или автомат отключат питание двигателя.
Непосредственный контроль температуры корпуса и обмоток реализуется за счет терморезистора или термоконтакта, встроенного внутрь корпуса двигателя. Недостаток этого способа — большая инерционность, и его обычно применяют как дополнительный способ защиты.
Александр Ярошенко, автор блога SamElectric.ru
