Электродвигатели и как ими управлять: от рубильника до частотника

Электродвигатели применяются очень широко – от промышленных установок и производственных линий до бытовых вентиляторов. Все электродвигатели нуждаются в электрических аппаратах, которые включают двигатель и регулируют режим его работы.

Асинхронный и синхронный – два самых распространённых двигателя

Современные электродвигатели, которые применяются наиболее широко, делятся на две большие группы:

• асинхронные электродвигатели с  короткозамкнутым ротором;
• синхронные электродвигатели с подключаемым ротором.

Первым электродвигателем, который стал широко применяться в промышленности, жилищном строительстве и транспорте, стал асинхронный двигатель. Благодаря своей простоте и низкой стоимости, он остаётся популярным по сей день, составляя большую часть мирового парка электродвигателей. 

Его устройство неразрывно связано с принципом действия трёхфазной электрической сети. Трёхфазная сеть переменного тока, в отличие от сети постоянного тока, передаёт энергию по трём проводам, ток в которых смещён относительно соседней фазы на 120 градусов. Это не только позволяет сэкономить на толщине кабельных линий, но и позволяет привести во вращение очень простой и экономичный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. 

В электродвигателе с короткозамкнутым ротором к питанию подключаются только неподвижные обмотки статора, а обмотки вращающегося ротора замкнуты накоротко и не имеют внешних выводов. При подаче на обмотки статора, которые разделены на секции, трёхфазного переменного напряжения, внутри двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, благодаря индукции в роторе, начинает его вращать с небольшим запозданием – именно поэтому такой двигатель называется асинхронным. 

В синхронном двигателе, который используется для серьёзных мощностей и высоких напряжений, к питанию подключаются как обмотки статора, так и обмотки ротора. Это усложнение конструкции оправдано тем, что синхронный двигатель можно регулировать практически без потерь энергии сравнительно простыми способами. В дальнейшем мы будем рассматривать именно асинхронный двигатель и то, как он подключается. 

Автоматический выключатель для защиты двигателя 1.6A 50кА MS116 диапазон 1.0-1.6А ABB (1SAM250000R1006)	Автоматический выключатель для защиты двигателя 10А 100кА NS2-25X (R) диапазон 6-10A CHINT (495185)	Автоматический выключатель для защиты двигателя 4.0A 100кА ПРК32-4 диапазон 2.5-4А КЭАЗ (269923)

Простое включение двигателя – прямой пуск 

Простейший способ подключения электродвигателя это прямой пуск, который заключается в непосредственной подаче напряжения при начале работы. Данный способ применяется для сравнительно маломощных двигателей: вентиляторов, простых станков, тельферов и так далее. Для прямого пуска применяется три типа электрических аппаратов:

• рубильник;
• автомат защиты двигателя;
• магнитный пускатель (контактор).

Пуск двигателя с помощью рубильника или простого выключателя применяется для маломощных электромоторов, например вытяжных вентиляторов или компактных бетономешалок. Для более мощных двигателей, например в приводах обрабатывающих станков, рекомендуется применять автомат защиты двигателя. Преимущества данного прибора в том, что кроме пуска, он обеспечивает защиту мотора от перегрузки и короткого замыкания, а для того, чтобы не было ложных срабатываний при пуске, такой автомат имеет регулятор точной настройки уставки теплового расцепителя. 

Магнитный пускатель или, как его часто называют контактор, это мощное электромагнитное реле. Его применяют для частых пусков двигателей самой разной мощности – от 0,1 кВт до сотен киловатт. Преимущества данного типа запуска перед включением рубильниками в том, что контакты пускателя оснащены дугогасительными камерами и напайками из тугоплавкого металла. Это гарантирует надёжное включение двигателя в течение многих лет. Кроме этого, схема включения двигателя через контактор позволяет оперировать включением с помощью маломощных кнопок и на расстоянии, а также включать двигатель автоматически по заданной программе. 

Реверсивное управление и другие классические схемы 

Кроме простого запуска и остановки, некоторые электродвигатели требуют более сложных типов операций, а именно реверс и плавный разгон. Реверс или изменения направления вращения применяется достаточно часто – самый простой пример это лифт или подъёмник. Для осуществления реверса нужно подключить обмотки статора двигателя в другом порядке, что вызовет изменения направления вращения магнитного потока. Это можно выполнить с помощью реверсивного контактора, который представляет собой два обычных контактора, смонтированных вместе. Между ними устанавливается механическая блокировка, препятствующая их одновременному включению, а выводы контакторов присоединяются по специальной схеме. 

Схема плавного запуска работает по принципу поочерёдного включения обмоток по схеме «звезда» и затем по схеме «треугольник». При подключении звездой, к каждой обмотке двигателя прикладывается фазное напряжение 220 Вольт – двигатель начинает вращаться с небольшим моментом и, когда обороты достигают нужной цифры, контактор переключается и к каждой обмотке прикладывается уже линейное напряжение 380 Вольт, с которым двигатель развивает полную паспортную мощность. Эта процедура снижает нагрузку на электросеть и количество переходных помех, способных помешать работе электроники. 

Контактор NXC-09 9А 220В/АС3 1НО+1НЗ 50Гц (R) CHINT (836704)	Контактор ПМЛ-1560М-10А-220AC-УХЛ4-Б реверсивный КЭАЗ (110566)	Пускатель ПМЛ-1220-10А-220AC-(2.5-4А)-УХЛ3-Б КЭАЗ (110684)

Плавная регулировка: частотные приводы 

В процессе работы, кроме простого включения, плавного включения и реверса нам может понадобиться изменить частоту вращения электродвигателя. В отличие от двигателей постоянного тока, где это можно сделать простым изменением подаваемого тока, асинхронный двигатель можно регулировать только одним способом без потерь мощности – изменением частоты переменного тока, питающего электродвигатель. Это изменение производит сложный электронный прибор – частотный регулятор. Он осуществляет следующие преобразования:

• фильтрует входное напряжение;
• выпрямляет напряжение;
• инвертирует полученное постоянное напряжение в переменное напряжение нужной частоты, под управлением встроенного контроллера.

Регулирование осуществляется либо вручную – потенциометром на передней панели частотника, либо, что бывает намного чаще – в автоматическом режиме с контроллера, который переключает электродвигатели и меняет частоту их вращения в соответствии с заранее заданной программой работы производственной линии или инженерной системы здания. 

Частотные регуляторы разделяются по мощности двигателя, а также по типу управления – скалярные и векторные. Скалярные являются более простыми по устройству – они не имеют обратной связи от мотора и управляют только магнитным полем статора. Векторные частотники могут отслеживать состояние двигателя и его крутящий момент, поэтому они управляют его работой более энергоэффективно, но и стоят ощутимо дороже. 

Спасибо, что дочитали до конца – бесперебойной работы вашему двигателю, а вам – надёжной электрики!