Компрессорные станции оснащены электрическим приводом с асинхронным электрическим двигателем переменного трехфазного тока мощностью от 0,27 до 95 кВт, напряжением 220/380 В и частотой вращения 23,6–24,2 Гц. Принцип действия такого электродвигателя основан на явлении вращающегося магнитного поля.
Асинхронный электродвигатель состоит из неподвижного (статора) и подвижного (ротора) узлов. Вращающееся магнитное поле создается тремя обмотками статора при пропускании через них трехфазного тока (рис. 22). При движении электрического тока по обмотке на одной ее стороне, где ток идет по виткам против часовой стрелки, образуется северный магнитный полюс «С», а на противоположной стороне – южный полюс «Ю». Для упрощения объяснения вращающегося магнитного поля будем рассматривать только те стороны обмоток, которые обращены к центру статора.
Рис. 22. Схема вращающегося магнитного поля статора трехфазного электрического двигателя:
1–3 обмотки (катушки) статора; 4 – статор
В первый момент (рис. 22, а) в обмотке 1 тока нет, в катушке 2 ток идет против часовой стрелки, образуя северный полюс «С», по обмотке 3 по часовой стрелке, образуя южный полюс «Ю». Взаимодействие этих двух полюсов дает результирующее магнитное поле, создаваемое обмотками 2 и 3, направленное от северного полюса к южному (на рисунке показано стрелками).
Во второй момент (рис. 22, б) в обмотке 2 тока не будет, в обмотке 3 ток будет двигаться против часовой стрелки, образуя северный полюс, а в обмотке 1 – по часовой, образуя южный полюс. Результирующее магнитное поле, создаваемое обмотками 1 и 3, направлено от северного полюса к южному (на рисунке показано стрелками).
Затем направление магнитного поля вновь меняется (рис. 22, в), так как в обмотке 3 тока нет, в обмотке 1 образуется северный полюс, в обмотке 2 – южный полюс. Результирующее магнитное поле будет направлено от обмотки 1 к обмотке 2. В последующий момент направление результирующего магнитного поля (рис. 22, г) будет такое же, как в первый момент (рис. 22. а).
Сравнивая изменения направления результирующего магнитного поля, можно заметить, что вначале результирующее магнитное поле было направлено справа налево, затем снизу вверх, далее сверху вниз и, наконец, вновь справа налево. Наблюдая, как меняется направление результирующего магнитного поля, можно заметить, что оно как бы вращается вокруг оси статора.
Такое магнитное поле названо вращающимся магнитным полем. Частота вращения магнитного поля определяет частоту вращения двигателя. Наиболее распространены электрические двигатели с частотой вращения 25; 16,6 и 12,5 Гц.
В трехфазном асинхронном электродвигателе внутри статора размещен ротор. Вращающееся магнитное поле статора будет пересекать обмотки ротора и в этих обмотках возникнет индукционный ток.
Этот ток создаст свое магнитное поле, которое будет взаимодействовать (притягиваться) с магнитным полем статора. А так как магнитное поле статора вращается, то и магнитное поле ротора вместе с ротором придет в движение в ту же сторону, что и магнитное поле статора.
Направление вращения ротора можно изменить, поменяв местами два провода, подводящие трехфазный электрический ток к обмоткам статора.
Следует отметить, что частота вращения ротора немного меньше частоты вращения магнитного поля статора, их частоты вращения не совпадают, т. е. они асинхронны, поэтому эти двигатели называются асинхронными.
Если предположить, что в какой-то момент частота вращения ротора достигнет частоты вращения магнитного поля статора, т. е. их частоты сравняются, то в этом случае обмотки ротора уже не будут пересекаться вращающимся магнитным полем статора и в обмотке ротора не будет индуцироваться электрически и ток. Это приведет к прекращению взаимодействия обмоток ротора с вращающимся магнитным полем статора, и ротор начнет снижать частоту вращения. Снижение частоты вращения ротора будет кратковременным, так как оно опять приведет к пересечению магнитными линиями статора обмотки ротора и появлению индукционного тока в обмотках ротора и ротор вновь начнет вращаться вслед за магнитным полем статора. Таков принцип действия асинхронных электрических двигателей.
Рис. 23. Трехфазный асинхронный электрический двигатель в разобранном виде:
а – статор с боковыми щитами;
б – короткозамкнутый ротор; в – фазный ротор; 1 – корпус; 2, 5, 9 – сердечники статора и короткозамкнутого и фазного роторов; 3, 6, 10 – обмотки статора и короткозамкнутого и фазного роторов; 4, 8 – валы короткозамкнутого и фазного роторов; 7, 11 – торцовые и контактные кольца
Статор асинхронного трехфазного электродвигателя состоит из корпуса 1 (рис. 23, а) и сердечника 2, набранного из тонких стальных пластин с выштампованными пазами и закрепленного внутри корпуса статора. С торцов статор закрыт боковыми щитами с подшипниками, на которые опирается вал ротора. В пазы сердечника уложены три обмотки 3, отстоящие одна от другой по окружности с определенным шагом.
Ротор состоит из сердечника и вала, на котором закреплен сердечник. Сердечник набран из стальных штампованных пластин с пазами. В пазы помещены проводники обмотки ротора.
В зависимости от типа обмотки ротора асинхронные трехфазные электрические двигатели бывают короткозамкнутые и фазные.
Короткозамкнутый ротор (рис. 23, б). В пазы сердечника 5 залит под давлением расплавленный алюминий. С торцов образовавшиеся алюминиевые стержни (обмотка) 6 приварены к алюминиевым торцовым кольцам 7. Такая обмотка постоянно замкнута накоротко кольцами 7, и сам ротор называется короткозамкнутым.
Электрические асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором просты по конструкции, но при пуске берут из питающей электросети электроток в 5–7 раз больший, чем при установившейся работе.
Фазный ротор (рис. 23, в). Три обмотки размещены в пазах с определенным шагом по окружности. Обмотки изолированы одна от другой и от сердечника ротора. Начала всех трех обмоток подключены к трем контактным медным кольцам 11, насаженным на валу 8 ротора, а концы трех обмоток соединены между собой. Контактные кольца изолированы одно от другого и от вала, но плотно насажены на вал и при работе двигателя вращаются вместе с валом. На боковом щите шарнирно закреплены три медно-графитовые щетки.
В период пуска электродвигателя с фазным ротором на контактные кольца накладывают (прижимают) медно-графитовые щетки. Такая конструкция позволяет в период пуска включать в обмотку ротора дополнительный резистор (сопротивление) и за счет этого значительно снизить силу пускового электротока В остальном устройства электродвигателей с фазным и короткозамкнутым роторами аналогичны.
Каждая из трех обмоток статора (рис. 24) имеет начало (Н1, Н2, Н3) и конец (К1, К2, КЗ). Все начала обмоток выведены в коробку зажимов, и к ним присоединяется питающая электроэнергией трехфазная электрическая сеть, а концы обмоток в определенной последовательности соединены с началами обмоток. Концы обмоток статора и их начала выведены в коробку зажимов и соединяются звездой или треугольником. Для подключения электродвигателя к электросети с более высоким напряжением (например, 380 В), указанным на его фирменной (заводской) табличке, обмотки статора соединяют звездой (рис. 24, а), а для более низкого напряжения (например, 220 В) – треугольником (рис. 24, б).
Рис. 24. Соединение выводов обмоток статора трехфазного электрического двигателя в коробке зажимов звездой (а) и треугольником (б):
1 – перемычка; 2 – коробка зажимов
В коробке 2 зажимов электродвигателя обмотки статора соединяют звездой с помощью металлических перемычек 1: зажимы Н1, Н2, Н3 (или нижние К1, К2, К3) соединяют между собой, а к оставшимся трем зажимам присоединяют трехфазную сеть.
При соединении обмоток треугольником каждый верхний зажим (Н1, Н2, Н3) соединяют с находящимся под ним нижним зажимом (К1, К2, К3) с помощью металлических съемных перемычек 1. Трехфазную сеть присоединяют к трем верхним или к трем нижним зажимам.
Асинхронный трехфазный электрический двигатель 6 с фазным ротором запускают с помощью реостата, состоящего из металлического кожуха, внутри которого помещены фарфоровые ребристые цилиндры с намотанной на них нихромовой проволокой (резисторы). Отводы от резисторов присоединены к контактам, размещенным на верхней панели При повороте пусковой рукоятки 6 (маховичка) пальцы соединяются с контактами и тем самым включают в обмотку ротора, присоединенного к реостату электродвигателя, большее или меньшее сопротивление 5 реостата. При работе реостата выделяется теплота. Для лучшего отвода теплоты внутрь корпуса реостата заливают трансформаторное масло.
Три провода от реостата присоединяют к трем щеткам контактных колец 4 (рис. 25) ротора электродвигателя. Во время пуска электродвигателя с фазным ротором пусковой реостат 1 включают в цепь ротора, что увеличивает сопротивление ротора электродвигателя и, как следствие, значительно снижает пусковой ток. Пусковой ток, потребляемый электродвигателем с фазным ротором и включенным реостатом, не превышает двукратного значения номинального тока В остальное время работы электродвигателя реостат отключают путем поворота рукоятки в положение «Работа».
Рис. 25. Схема присоединения пускового реостата к трехфазному электродвигателю с фазным ротором:
1 – пусковой реостат; 7 – кабель от реостата к двигателю; 3 – контактные щетки;
4 – контактные кольца; 5 – сопротивление реостата; 6 – рукоятка