Двигатель переменного тока устройство и принцип действия: типы, устройство, принцип работы, параметры, производители

Содержание

Асинхронный электродвигатель: устройство и принцип работы

Содержание

  1. Устройство асинхронного электродвигателя
  2. Принцип работы асинхронного двигателя
  3. Преимущества асинхронных двигателей

Самым эффективным устройством, превращающим электрическую энергию в механическую, является асинхронный двигатель, изобретенный инженером Доливо-Добровольским в конце 19 века. Учитывая возрастающий интерес современников к разработке и сборке станков, самодвижущихся аппаратов и прочих механизмов, мы постараемся объяснить, как работает асинхронный электродвигатель, чтобы вы могли понять принцип его действия и результативно его использовать.

Устройство асинхронного электродвигателя

В его конструкцию входят следующие элементы:

  • Статор цилиндрической формы, собранный из стальных листов. Сердечник статора имеет пазы, в которые уложены обмотки. Их оси сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу.
  • Ротор (короткозамкнутый или фазный). Первый вариант представляет собой сердечник с алюминиевыми стержнями, накоротко замкнутыми торцевыми кольцами (беличья клетка). Второй вариант состоит из трехфазной обмотки, чаще всего соединенной «звездой».
  • Конструктивные детали – вал, подшипники, лапы, подшипниковые щиты, крыльчатка и кожух вентилятора, коробка выводов — обеспечивающие вращение, охлаждение и защиту механизма.

Схему асинхронного двигателя с указанием его деталей легко найти в интернете или в пособиях.

Принцип работы асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного электродвигателя заложен в его названии (не синхронный). То есть статор и ротор при включении создают вращающиеся с разной частотой магнитные поля. При этом частота вращения магнитного поля ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

Чтобы более наглядно представить себе этот процесс, возьмите постоянный магнит и покрутите его вокруг своей оси возле медного диска. Диск с небольшим отставанием начнет вращаться вслед за магнитом. Дело в том, что при вращении магнита в структуре диска возбуждаются токи Фуко (индукционные токи), движущиеся по замкнутому кругу. По сути они являются токами короткого замыкания, разогревающими металл. В диске «зарождается» собственное магнитное поле, в дальнейшем взаимодействующее с полем магнита.

В асинхронном двигателе для получения вращающегося поля используются обмотки статора. Магнитный поток, образованный ими, создает ЭДС в проводниках ротора. При взаимодействии магнитного поля статора и индуцируемого тока в обмотке ротора создается электромагнитная сила, приводящая во вращение вал электродвигателя.

Пошагово процесс выглядит следующим образом:

  1. При запуске двигателя магнитное поле статора пересекается с контуром ротора и индуцирует электродвижущую силу.
  2. В накоротко замкнутом роторе возникает переменный ток.
  3. Два магнитных поля (статора и ротора) создают крутящий момент.
  4. Крутящийся ротор пытается «догнать» поле статора.
  5. В тот момент, когда частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадут, электромагнитные процессы в роторе затухают и крутящий момент становится равным нулю.
  6. Магнитное поле статора возбуждает контур ротора, который к этому моменту снова отстает.

То есть ротор всегда медленнее магнитного поля статора, что и обеспечивает асинхронность.

Поскольку ток в роторе индуцируется бесконтактно, отпадает необходимость установки скользящих контактов, что делает асинхронные двигатели более надежными и эффективными. Изменяя направление тока в одной из обмоток (для этого нужно поменять фазы на клеммах), вы можете «заставить» мотор вращаться в ту или другую сторону.

Направление электромагнитной силы легко определить, вспомнив школьный курс физики и воспользовавшись «правилом левой руки».

На частоту вращения магнитного поля статора влияет частота питающей сети и число пар полюсов. Поскольку число пар полюсов зависит от типа двигателя и остается неизменным, то, если вы хотите изменить частоту вращения поля, необходимо изменить частоту питающей сети с помощью преобразователя.

Преимущества асинхронных двигателей

Благодаря тому, что устройство и принцип работы асинхронного электродвигателя достаточно просты, он обладает массой преимуществ и широко применяется во всех сферах народного хозяйства и в быту. Двигатели этого типа характеризуются:

  • Надежностью и долговечностью. Отсутствие контакта между подвижными и неподвижными деталями сводит к минимуму возможность износа и поломок.
  • Низкой стоимостью. Они доступны (не зря 90% от всех выпускающихся в мире двигателей именно асинхронные).
  • Простотой эксплуатации. Для того чтобы использовать их, не обязательно иметь специальные знания и навыки.
  • Универсальностью. Их можно установить практически на любое оборудование.

Изобретение асинхронного электродвигателя было значимым вкладом в развитие науки, промышленности и сельского хозяйства. С ним наша жизнь стала более комфортной.


Синхронный электродвигатель: характеристики, устройство и принцип действия

Содержание

  1. Устройство синхронного электродвигателя
  2. Принцип работы синхронного электродвигателя
  3. Характеристики синхронного электродвигателя

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

  • Неподвижной части (якорь или статор).
  • Подвижной части (ротор или индуктор).
  • Вентилятора.
  • Контактных колец.
  • Щеток.
  • Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

  • Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
  • С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

  • Работу при высоком значении коэффициента мощности.
  • Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
  • Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
  • Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
  • Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

  • Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
  • Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
  • Сложность пуска.
  • Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

  • Для улучшения коэффициента мощности.
  • В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.


Двигатели переменного тока. Принцип работы, характеристики и управление

Продолжаем наш ликбез по движкам. На этот раз речь пойдет о переменном токе, трехфазных движках разной конструкции. Их характеристикам, устройству и принципу работы. Ну и заодно подготавливаем почву под BLDC, так как там получается зверский гибрид всего и вся.
 

▌Вращающееся поле
Вращающееся поле это краеугольный камень всех машин переменного тока. Без него ничего не было бы и все было бы уныло и пресно. Делается оно посредством хитрой обмотки и хитрого напряжения. Сейчас подробно покажу как.
 

Начнем с упрощенной одновитковой обмотки. Вот такой:

Подаем на него напряжение, получаем ток, создающий магнитный поток. Направление потока зависит от направления тока. Определяется по правилу буравчика. Вспоминаем курс физики из школы 🙂 Если сунуть туда синусоидальное напряжение, то поток через обмотку будет шнырять туда-сюда по синусоидальному же закону.
 

Берем три обмотки и ставим их так, чтобы магнитное поле, ими генерируемое, было направленно под 120 градусов относительно катушек.
 

Получаем упрощенный вариант статора. Соединяем обмотки треугольником:

Оставим от него только направления векторов, чтобы посмотреть на это в разрезе. И загоняем в эту обмотку трехфазное напряжение. Три синуса, сдвинутые под 120 градусов.
 

Если взять в какой-либо момент времени напряжения и разложить магнитные потоки по векторам, которые задают наши катушки, с учетом знака, а потом все суммировать, то получим результирующий вектор магнитной индукции трех катушек. Проделав ту же операцию на несколько углов вперед будет явно видно, что результирующий вектор вращается аки часовая стрелка.
 

Т.е. статор, с точки зрения магнитного поля, ведет себя как вращающийся магнит. Делающий один оборот за период. Вот вам каноничная картинка, что есть в каждом учебнике по электромашинам. Полный оборот поля. Я лишь сделал ее более няшный вариант, раскрасив витки в цвета обмоток, чтобы по феншую было все.
 

Скорость вращения поля зависит от частоты сети. n1 = 60*f (об/мин) эта скорость зовется синхронной скоростью. Но не все так просто. Количество полюсов машины может быть и иным. Выше был пример статора двухполюсной машины. Два полюса потому, что там у результирующего магнитного потока есть север и юг и все. Но полюсов может быть больше.
 

Для этого обмотку каждой фазы делают из двух соединенных катушек, как то так:

И размещают их со сдвигом в 60 градусов. Вот, примерно, следующим образом. Тут у меня по одному недавитку, но их может быть и сто. Соединение секций между собой выделено более тонким проводом и чуть другим цветом.
 

 

В результате получается вот такая вот магнитная схема:
 

Видно, что эти четыре гипножабы образуют четыре полюса, два северных, два южных. А дальше как в старом советском мультике… пока ты на коне на четырех ногах раааз, двааа, триии, четырее… он на своих двоих раз-два, раз-два, раз-два. В четырехполюсном движке поле вращается вдвое медленней, т.к. за один период оно пробежит только пол оборота. Чем больше полюсов, тем медленней вращается поле.
 

С учетом количества полюсов синхронная скорость вычисляется так: n1=60*f/p ,где p — число катушек в одной фазе. Правда тут стоит учитывать такой случай, что катушки можно намотать так, что две будут вести себя как одна. В этом случае, естественно, считаем ее за одну, хоть их физически и две.
 

На этом принципе, кстати, в некоторых случаях делают управление скоростью двигателя. Т.е. хитро переключая катушки делают, например, либо два полюса, либо четыре. Ступенчато переключая скорость.
 

▌Реверс поля
Тут даже и говорить нечего — меняем местами две фазы и поле поехало в другую сторону. Элементарно 🙂
 

▌Асинхронный двигатель
Вы наверняка все знаете его. Помнишь как в детстве, разбираешь движок, надеешься на нямку и ништяки, а оттуда выпадает тупая алюминиевая блямба и обламывает весь кайф. Вот такой вот, малята, АД. В смысле асинхронный двигатель.
 

Асинхронный двигатель это король электропривода. Он технологичен, а значит дешев. Надежен, там трутся только подшипники. Прост и легко запускается. Не требует никакого дорогостоящего барахла, вроде редкоземельных магнитов. Есть у него и недостатки — сложности регулирования скорости и своебразная механическая характеристика, но все это решается умной электроникой.
 

Как же он работает то? Сейчас разберем.
 

Итак, у нас есть статор и его вращающееся поле:

в него мы помещаем короткозамкнутую обмотку ака «беличье колесо»

Она состоит из штырей закороченных на лобовые кольца. А обычно еще проще делают. Набирают шихтованный ротор (т.е. из изолированных пластин, чтобы гасить вихервые токи) окаливают его, создавая тем самым изоляцию, а потом заливают в пазы цельнолитую алюминиевую обмотку. Дешево, просто, технологично.
 

Так вот, поле бежит мимо этих штырей наводя в них ЭДС. А так как обмотка замкнута, то эта ЭДС порождает ток. Но если у нас есть ток и есть магнитное поле статора, то должна неминуема появиться сила Ампера. И она появляется. Обмотка начинает увлекаться за полем. Но догнать его не может никогда, ведь если она его догонит, то движение поля относительно обмоток станет равным нулю и сила пропадет. Вот так и плетется она в конце на подсинхронной частоте. Потому и зовется двигатель асинхронным. А относительная разность скорости поля и ротора зовется скольжением.
 

s=(n1-n)/n1
 

Измеряется в единицах или процентах. Обычно, на номинальном моменте, скольжение составляет 2-7% С ростом нагрузки скольжение растет. А скорость вращения движка завязана на скорость поля. Что сильно обламывает любителей регулировать скорость. Потому то асинхронные двигатели до сих пор не вытеснили те же коллекторные отовсюду откуда можно. Мало того, что им нужна переменка, так еще и не погазуешь нифига.
 

▌Механическая характеристика АД. Пуск и регулирование скорости
Она весьма извилистая, с рядом приколов. Вот такая:

Обратите внимание на разницу между пусковым и максимальным моментом. Т.е. движок должен стартануть в относительно тепличных условиях и лишь потом можно его грузить. Да и то до некоторого предела, до точки Ж, где случается жопа. Машина теряет устойчивость, момент резко снижается, а обороты падают до нуля. Движок лишь беспомощно дергается и очень сильно греется. Ведь в этот момент он превращается в обычный трансформатор у которого ротор это вторичная обмотка и она закорочена наглухо.
 

Вариантов борьбы с этим явлением несколько. Обычно конструктивные, делают либо две беличьи клетки одна над другой, либо просто глубокие пазы, т. е. клетка получается не из прутьев, а из пластин. Это снижает разницу между моментом критическим и пусковым. Еще, в особо тяжелых случаях, вроде кранового привода, делают фазный ротор. Т.е. обмотка не беличья клетка, а нормальная обмотка трехфазная. Из провода, ее концы с одной стороны соединены звездой, а с другой вытащены наружу через контактные кольца. Вот как на этой картинке под четвертым номером:
 

 

С них заводят на пусковые сопротивления:

И при пуске вводят все сопротивления в ротор, при этом ток падает, механическая характеристика проседает, а пусковой момент увеличивается. Потом, по мере разгона, сопротивления выводят посекционно, а движок переходит с одной характеристики на другую, пока не выйдет на естественную. Делается это автоматом, по реле времени или через реле контроля скорости.
 

Впрочем, это вам так, для общего развития. Не думаю, что с таким пуском столкнетесь вживую. Разве что вы не работаете цеховым электриком и колупаете краны выпуска еще прошлого века. Сейчас все это активно отмирает и заменяется на частотное регулирование.
 

Снижение напряжения фазного дает лишь некоторое смягчение характеристики, с падением момента. Но обороты остаются в целом прежними.

 

Т.е. по простому скоростью не порулишь как хочется. Что делать? На помощь тут идет электроника и частотное регулирование. Т.е. мы сетевое напряжение сначала выпрямляем, а потом на инверторе вкручиваем любую частоту какая нам нужна. И профиты сплошные. выглядит это так:

 
Но тут мы наблюдаем другую проблему — разгоняя частоту мы теряем в критическом моменте и снижается пусковой момент. Почему? А дело все в том, что поток завязан на частоту.
 
Если пренебречь падением напряжения на обмотках статора, то ЭДС примерно будет равна напряжению на фазах движка.
 

Uф≈K Φ f1

 

К — конструктивный коэффициент.
 
Т.е. у нас поток Ф зависит от частоты. Повышаем частоту и чтобы уравнение выполнялось должен снизиться поток, со всеми последствиями в виде провала по моменту.
 

Но что если заложить номинальную частоту в максимум возможного для данного двигателя, а регулировать вниз? Тут тоже проблемы возникнут. Поток будет расти, но бесконечно расти он не сможет, железо магнитопровода перенасытится и упадет КПД. Это просто энергетически невыгодно, зачем нам грелка, когда нужна крутилка?
 
Так что при изменении частоты не помешает и подкорректировать напряжение так, чтобы держать поток в пределах номинального, так потерь меньше.
 

▌Синхронный двигатель
Еще одна забавная машинка, работающая на вращающемся поле. Вспомним картинку вращающегося поля и сунем в ее чрево постоянный магнит.

Опа, магнит вращается синхронно полю. Механическую характеристику этого безобразия я даже не буду рисовать. Она скучна как пульс у трупа. Скорость жестко завязана на скорость поля и не зависит от момента, совсем. Абсолютно жесткая механическая характеристика.
 

Разумеется это не навсегда, если момент будет сильней поля, то он может оторвать его от поля, движок выпадет из синхронизма и настанет жопа — сам он в синхронный режим уже не вернется. Тут ситуация еще хуже чем с асинхронным двигателем. Синхронный двигатель даже нормально запуститься не сможет. Т.е. если его воткнуть в сеть то фиг он куда поедет, будет стоять и беспомощно дрыгаться. Вот такая, херня, малята.
 

Дети, давайте поможем дедушке двигателю стартануть! Что надо сделать? Правильно, Петя, надо подружить его с асинхронным двигателем — сунуть ему в нутро до кучи еще и беличью клетку. Это будет пусковая обмотка. Она рванет движок со старта, доведет его до подсинхронной частоты, а там он втянется в синхронизм как удав в пылесос. Правда момент такого пуска слабоват, но хоть что то. Но такие проблемы это геморрой еще прошлого века.
 

Сейчас есть новые, усовершенствованные методы старта синхронного двигателя. Потому, что у нас прогресс, модернизация в стране и нанотехнологии. В первую очередь я имею ввиду частотный пуск. Т.е. когда при старте поле статора не рвет с нуля на номинальные обороты, а нежно хватает движок за торчащие из ротора яй… эээ силовые линии магнитного поля и начинает плавно разгонять пока не выведет в номинал. Еще в начале может быть ориентирующий рывок, когда напряжение подается статично, на одну из фаз, чтобы придать ротору какой-то определенный ориентир, а дальше уже разгон.
 

Наиболее наглядно это можно увидеть на приводе шпинделя жесткого диска. Если у вас есть убитый жесткач, то разберите его и подайте питание на плату. Увидите, как движок плавно стартанет, но если его затормозить, то он встанет и будет лишь вяло вяло крутиться — выпал из синхронизма. Если сможете разогнать его до 7200 оборотов, то он втянется, и будет дальше вращаться как ни в чем не бывало.
 

Устранение этого недостатка может быть только одно — контроль положения ротора, т.е. система управления зорко глядит на то куда повернут ротор и не дает полю его упустить. Если движок нагружается, поле притормаживает, следуя за ротором так, чтобы получить наибольший момент. Способов следить много. Это и сельсины и датчики холла и энкодеры и оптика всякая. Есть еще и извращенские способы по замеру индукции на обмотке, что часто практикуется в модельных инверторах. И со всей этой тряхомудией это уже получается самый настоящий BLDC о которых я тоже когда-нибудь расскажу. Через пару лет, ага. Бугагага!
 

Регулирование синхронного двигателя сходно с асинхронным. Те же приколы связи частоты, потока и напряжения. Т.к. статор там точно такой же. Разве что скольжения нет, но есть критический момент, а он завязан на поток.
 

Принцип работы электродвигателя. Принцип работы электродвигателя переменного тока. Физика, 9 класс

Сегодня представить себе человеческую цивилизацию и высокотехнологическое общество без электричества невозможно. Одним из основных аппаратов, которые обеспечивают работу электрических приборов, является двигатель. Эта машина нашла самое широкое распространение: от промышленности (вентиляторы, дробилки, компрессоры) до бытового использования (стиральные машины, дрели и прочее). Но в чем состоит принцип работы электродвигателя?

Назначение

Принцип работы электродвигателя и его основные цели заключаются в передаче рабочим органам необходимой для совершения технологических процессов механической энергии. Сам двигатель вырабатывает ее за счет потребляемой из сети электроэнергии. По сути говоря, принцип работы электродвигателя заключается в преобразовании электрический энергии в механическую. Количество вырабатываемой им механической энергии за одну единицу времени называется мощностью.

Виды двигателей

В зависимости от характеристик питающей сети можно выделить два основных типа двигателя: на постоянном и на переменном токе. Наиболее распространенными машинами постоянного тока являются моторы с последовательным, независимым и смешанным возбуждением. Примерами двигателей на переменном токе могут выступить синхронные и асинхронные машины. Несмотря на кажущееся разнообразие, устройство и принцип работы электродвигателя любого назначения основаны на взаимодействии проводника с током и магнитным полем либо же постоянного магнита (ферромагнитного объекта) с магнитным полем.

Рамка с током – прообраз двигателя

Основным моментом в таком вопросе, как принцип работы электродвигателя, можно назвать появление крутящего момента. Рассмотреть такое явление можно на примере рамки с током, которая состоит из двух проводников и магнита. К проводникам ток подводится через контактные кольца, которые закреплены на оси вращающейся рамки. В соответствии со знаменитым правилом левой руки на рамку будут действовать силы, которые создадут крутящий момент относительно оси. Она под действием этой суммарной силы будет вращаться по направлению против часовой стрелки. Известно, что этот момент вращения прямо пропорционален магнитной индукции (B), силе тока (I), площади рамки (S) и зависит от угла между линиями поля и осью последней. Однако под действием момента, изменяющегося по своему направлению, рамка будет совершать колебательные движения. Что же предпринять для образования постоянного направления? Тут есть два варианта:

  • менять направление электрического тока в рамке и положение проводников относительно полюсов магнита;
  • менять направление самого поля, притом что рамка вращается в неизменную сторону.

Первый вариант используется для двигателей постоянного тока. А второй — это принцип работы электродвигателя переменного тока.

Изменение направления тока относительно магнита

Для того чтобы изменить направление движения заряженных частиц в проводнике рамки с током, необходимо устройство, которое бы задавало это направление в зависимости от расположения проводников. Такая конструкция реализована благодаря использованию скользящих контактов, которые служат для подвода к рамке тока. При замене одним кольцом двух, когда рамка поворачивается на половину оборота, направление тока меняется на противоположное, а крутящий момент его сохраняет. Важно учесть, что одно кольцо собрано из двух половинок, которые изолированы друг от друга.


Конструкция машины постоянного тока

Вышеприведенный пример – это принцип работы электродвигателя постоянного тока. Реальная машина, естественно, имеет более сложную конструкцию, где используются десятки рамок, образующих обмотку якоря. Проводники этой обмотки размещены в специальных пазах в цилиндрическом ферромагнитном сердечнике. Концы обмоток присоединены к изолированных кольцам, которые образуют коллектор. Обмотка, коллектор и сердечник – это якорь, вращающийся в подшипниках на корпусе самого двигателя. Магнитное поле возбуждения создается полюсами постоянных магнитов, которые расположены в корпусе. Обмотка подключается к питающей сети, и ее можно включать как независимо от цепи якоря, так и последовательно. В первом случае электродвигатель будет иметь независимое возбуждение, во втором – последовательное. Также существует конструкция со смешанным возбуждением, когда используются сразу два типа подключения обмотки.

Синхронная машина

Принцип работы синхронного электродвигателя заключается в необходимости создания вращающегося магнитного поля. Затем нужно поместить в это поле обтекаемые неизменным в направлении током проводники. Принцип работы синхронного электродвигателя, который получил весьма широкое распространение в промышленности, основан на вышеприведенном примере с рамкой с током. Вращающееся поле, создаваемое магнитом, образуется при помощи системы обмоток, которые подключены к питающей сети. Обычно используют трехфазные обмотки, однако принцип работы однофазного электродвигателя переменного тока не будет отличаться от трехфазного, разве что количеством самих фаз, что несущественно при рассмотрении конструктивных особенностей. Обмотки укладывают в пазы статора с некоторым сдвигом по окружности. Это делается для создания вращающегося магнитного поля в образованном воздушном промежутке.

Синхронизм

Очень важным моментом является синхронная работа электродвигателя вышеприведенной конструкции. При взаимодействии магнитного поля с током в обмотке ротора образуется сам процесс вращения двигателя, который будет синхронным по отношению к вращению магнитного поля, образованному на статоре. Синхронизм будет сохраняться до достижения максимального момента, который вызван сопротивлением. При увеличении нагрузки машина может выйти из синхронизма.

Асинхронный двигатель

Принцип работы электродвигателя асинхронного заключается в наличии вращающегося магнитного поля и замкнутых рамок (контуров) на роторе – крутящейся части. Магнитное поле образуется так же, как и у синхронного двигателя — при помощи расположенных в пазах статора обмоток, которые подключены к сети переменного напряжения. Обмотки ротора состоят из десятка замкнутых контуров-рамок и имеют обычно два типа исполнения: фазное и короткозамкнутое. Принцип работы электродвигателя переменного тока в обоих вариантах одинаковый, меняется только конструктивное исполнение. В случае короткозамкнутого ротора (также известного под названием «беличья клетка») обмотка заливается расплавленным алюминием в пазы. При изготовлении обмотки фазной концы каждой фазы выводят наружу с помощью скользящих колец-контактов, так как это позволит включить в цепь добавочные резисторы, которые необходимы для регулирования частоты вращения двигателя.

Тяговая машина

Принцип работы тягового электродвигателя аналогичен мотору на постоянном токе. От питающей сети ток подают на повышающий трансформатор. Далее трехфазный переменный ток передается на специальные тяговые подстанции. Там находится выпрямитель. Он преобразует переменный ток в постоянный. По схеме он проводится одной своей полярностью к контактным проводам, второй – непосредственно к рельсам. Необходимо помнить, что многие тяговые механизмы работают на частоте, отличной от установившейся промышленной (50 Гц). Поэтому используют частотник для электродвигателя, принцип работы которого заключается в преобразовании частот и контролировании данной характеристики.

По поднятому пантографу напряжение подается в камеры, где находятся пусковые реостаты и контакторы. С помощью контроллеров реостаты подключаются к тяговым электродвигателям, которые расположены на осях тележек. От них ток поступает через шины на рельсы, а затем возвращается к тяговой подстанции, таким образом замыкая электрическую цепь.

9.3. Электродвигатели переменного тока — Энергетика: история, настоящее и будущее

9.3. Электродвигатели переменного тока

Поскольку направление вращения электродвигателя не зависит от направления доставляемого ему тока, то каждый электродвигатель можно приводить в движение и переменным током. Однако в этом случае значительно уменьшается его мощность. Причина этого заключается в том, что переменный ток, проходя по обмотке электромагнитов, создает в сплошных сердечниках так называемые токи Фуко, на образование которых уходит значительная часть доставляемой к двигателю электрической энергии. Кроме того, у двигателей постоянного тока энергия возбуждения электромагнитов расходуется только один раз в начале действия, после чего намагничивание сердечников остается неизменным. В двигателе же переменного тока сердечники перемагничиваются при каждой перемене направления тока, на что затрачивается часть энергии. Уменьшить потери от токов Фуко пытались, делая сердечник не сплошным, а состоящим из отдельных изолированных друг от друга металлических полос. Однако это не дало приемлемого результата, а практическое применение поначалу получили лишь синхронные двигатели переменного тока.

Особенность действия первых синхронных электродвигателей переменного тока состояла в том, что для поддержания вращения двигателя ему предварительно необходимо сообщить определенный вращательный момент, величина которого определялась частотой переменного тока. После этого переменный ток будет поддерживать частоту вращения двигателя, синхронную с частотой переменного тока. Если после этого придать двигателю тормозной момент, то в зависимости от величины этого момента вращение может либо восстановиться, либо постепенно затухнуть. Именно такой синхронный двигатель переменного тока «Ганца и К о» приведен на рис. 9.24.

Он состоит из кольцеобразного многополюсного магнита с изменяющимися под действием переменного тока полярностями, а также расположенного на оси вращающегося звездообразного электромагнита. Для возбуждения этого подвижного электромагнита рабочий переменный ток двигателя преобразуется в постоянный с помощью расположенного на оси специального коммутатора с токосъемными угольными щетками. В момент начального пуска такой двигатель приходит в действие как двигатель постоянного тока. И лишь при достижении им скорости, соответствующей синхронному ходу, начинает работать как синхронный двигатель переменного тока. Такая конструкция обеспечивала, по данным фирмы «Ганца и К о», коэффициент полезного действия до 80%, чего двигатели постоянного тока не достигали даже приблизительно. Кроме того, двигатель «Ганца и К о» не изменял своей скорости вращения при перемене нагрузки на валу, изменялась лишь величина потребляемого тока.

Рис. 9.24. Синхронный двигатель переменного тока «Ганца и Ко»

Тем не менее, таким синхронным двигателям переменного тока присущ тот недостаток, что синхронность хода должна быть установлена до принятия нагрузки, после чего двигатель готов начать работу. При значительных перегрузках синхронность хода нарушалась, вплоть до полной остановки двигателя, что весьма ограничивало область его применения.

В 1870 г. была разработана конструкция асинхронных двигателей переменного тока, лишенных вышеуказанного недостатка. Появление такого двигателя, еще называемого индукционным, позволило при наличии систем распределения и трансформации переменного тока необыкновенно расширить сферу практического применения электрической энергии. В очень упрощенном виде принцип действия индукционных двигателей переменного тока основан на эффекте возникновения вращающегося магнитного поля, получаемого от действия двух переменных токов, сдвинутых по фазе на 1/4 часть периода (рис. 9.25).

К открытию эффекта вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученый Галилео Феррарис и сербский ученый и изобретатель Николо Тесла. Способ получения вращающегося магнитного поля Феррарис нашел в 1885 году, а впервые сообщил о своем открытии в докладе Туринской академии наук в марте 1888 года. Двумя месяцами позже, в мае того же года, с изложением существа своих открытий в Американском институте инженеров-электриков выступил Тесла, хотя идея бесколлекторного электродвигателя переменного тока у него появилась ещё в 1882 году.

Николо Тесла (1856–1943) родился 10 июля 1856 года в селе Смиляны (ранее Австро-Венгрия, теперь Хорватия). В 1878 году окончил Политехнический институт в Граце и в 1880 году – Пражский университет. Работал инженером в Будапеште и Париже. Уехав в 1884 году в Нью-Йорк, Тесла организовал лабораторию и в 1888 году, исходя из принципа вращающегося магнитного поля, построил двухфазные генератор и электродвигатель переменного тока. В 1891 году сконструировал резонансный трансформатор трансформатор Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты. Он исследовал возможность беспроволочной передачи сигналов и энергии на значительные расстояния. В 1899 году публично продемонстрировал лампы и двигатели, работающие на высокочастотном токе без проводов. Построил радиостанцию в Колорадо и радиоантенну в Лонг-Айленде. Именем Теслы названа единица измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции). 

Рис. 9.25. Эффект возникновения вращающегося магнитного поля от действия двух переменных токов, сдвинутых по фазе на 1/4 часть периода

Замечательным свойством двухфазных электрических машин (рис. 9.26) является возможность сообщить движение якорю без непосредственного подвода к нему переменного тока. Тем самым исчезает потребность в использовании скользящих контактов, коммутатора или коллектора. Фирма «Вестингауз», где работал Тесла, построила несколько станций по его системе. Наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлектростанция, построенная в 1896 году, где были установлены такого рода двухфазные машины переменного тока. Однако экономические и технические трудности использования двухфазной системы привели через некоторое время к полной ее замене на трехфазную.

Недостатком электродвигателей Тесла было то, что они имели большое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распределение намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Встретившиеся экономические и технические трудности задерживали внедрение двухфазной системы в практику.

Рис. 9.26. Асинхронный электродвигатель переменного тока конструкции Тесла

Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862–1919), блестяще окончив курс Одесского реального училища, в 1880 году становится студентом Рижского политехнического института, решив посвятить себя деятельности инженера-механика. За участие в политических выступлениях студентов в марте 1881 года он был исключен из института без права поступления в какое-либо русское высшее учебное заведение. Электротехникой М.О. Доливо-Добровольский заинтересовался ещё в Рижском политехническом институте и при решении вопроса о продолжении своего обучения за пределами России он остановился на Дармштадтском высшем техническом училище. С осени 1881 г. по 1884 г. М.О. Доливо-Добровольский учился на машиностроительном факультете в Дармштадте, специально изучая электротехнику. Уже в ранних студенческих работах проявились выдающиеся инженерные способности ДоливоДобровольского. Он в совершенстве изучил постоянный ток и его применение и на последнем курсе в Дармштадте впервые предложил пусковую схему для шунтового двигателя постоянного тока, что оказало непосредственное и сильное влияние на развитие электрического привода на постоянном токе. В 1884 году, окончив с отличными оценками Дармштадтское высшее техническое училище, он поступил на работу конструктором на заводы электротехнической компании Т. Эдисона (впоследствии фирма AEG; с 1909 г. – директор этой фирмы). В 1887–1888 годах работал над усовершенствованием электромагнитных амперметров и вольтметров для измерения постоянного и переменного токов. Для различного рода измерительных приборов удачно применил принцип двигателя с вращающимся магнитным полем, создал приборы для устранения в телефонах помех от электрических сетей сильных токов, изобрел способ деления напряжения постоянного тока, основанный на применении неподвижной катушки индуктивности, которую назвал делителем напряжения. Последние годы своей жизни М.О. Доливо-Добровольский был занят мыслью о передаче энергии на большие расстояния. Свои взгляды по этому вопросу он изложил в обстоятельном докладе «О пределах возможности передачи энергии на расстояние переменным током». Смерть М.О. Доливо-Добровольского 15 ноября 1919 года прервала его работы в самом разгаре.

 

 

Рис. 9.27. Двигатель трехфазного переменного тока мощностью в 100 л.с. конструкции Доливо-Добровольского

 

Рис. 9.28. Отделение электродвигателей переменного тока на заводе Шуккерта в Нюрнберге

Более совершенной электрической системой оказалась трехфазная. Наибольшая заслуга среди ученых и инженеров разных стран (немец Ф. Хазельвандер, француз М. Депре, американец Ч. Бредли) принадлежит русскому электротехнику Михаилу Осиповичу ДоливоДобровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, разработавшему четырехи трехпроводную цепи. Его по праву считают основоположником трехфазных систем.

Доливо-Добровольский усовершенствовал двигатель Тесла, используя три сдвинутых по фазе переменных тока вместо двух. В 1888 году он построил первый трехфазный генератор переменного тока мощностью около 3 кВт, от которого привел в действие свой первый трехфазный двигатель со статором в виде кольца Грамма и ротором в виде сплошного медного цилиндра. Дальнейшие работы привели его к построению асинхронного трехфазного двигателя с ротором из литого железа с насаженным полым медным цилиндром. В 1889 году конструкция асинхронного электродвигателя была значительно улучшена применением ротора типа «беличьего колеса». Опытная установка такой машины поражала всех электротехников своими небольшими размерами при заданной мощности трехфазного электродвигателя. На рис. 9.27 показан двигатель трехфазного переменного тока мощностью в 100 л.с. конструкции ДоливоДобровольского.

Одновременно М.О. Доливо-Добровольский исследовал соединения звездой и треугольником, экспериментировал с токами различных напряжений и с машинами, имеющими разное число пар полюсов, разработал все элементы трехфазных цепей переменного тока: трансформаторы трехфазного тока (1890), пусковые реостаты, измерительные приборы, схемы включения генераторов и двигателей звездой и треугольником.

На рис. 9.28 приведен общий вид цеха по производству электродвигателей переменного тока на заводе Шуккерта в Нюрнберге. С изобретением трехфазной системы переменного тока такие электродвигатели в дальнейшем получили массовое распространение во всем мире.

Асинхронные электродвигатели: устройство, принцип работы

Асинхронные электродвигатели – это такие электрические двигатели, у которых вращение ротора происходит с меньшей частотой, чем у магнитного поля.

Конструктивное устройство

Основу асинхронных электродвигателей составляют неподвижный статор и подвижный ротор.

Статор глухо закрепляется на станине, для изготовления которой чаще всего используют:

  • сталь;
  • алюминий и его сплавы;
  • чугун;
  • пластик (в электродвигателях с маленькой мощностью).

Ротор крепится на валу, а если двигатель малой мощности, то на закреплённых на валу втулках.

Так как в двигателях создаются переменные магнитные потоки, для изготовления статорного и роторного сердечников применяют листы электротехнической стали. Друг от друга они изолируются при помощи изоляционного лака либо оксидной пленки.

Внешняя поверхность ротора и внутренняя поверхность статора оборудованы пазами для размещения обмоток.

В статоре расположена трехфазная обмотка, к питающей сети она подключается через коробку выводов.

Обмотка ротора существует двух видов:

  • Короткозамкнутая. Она выполнена в виде беличьего колеса методом литья из алюминия и его сплавов (иногда из меди).
  • Фазная. У неё столько же полюсов и фаз, как в обмотке статора, соединяется по схеме «звезда» и её концы подключены через щётки к пускорегулирующей аппаратуре.

Двигатели с короткозамкнутым ротором технологичнее по сравнению с фазными, у них меньшие параметры – габариты, масса и стоимость. Они надёжнее и долговечнее, но при малых пусковых моментах у них большие пусковые токи.

У двигателей с фазным ротором худшие показатели габаритов и стоимости, но они позволяют получать максимальный пусковой момент при сравнительно небольших пусковых токах.

Принцип работы

Разберёмся, как работают асинхронные двигатели.

Обмотка статора подсоединяется к сетям переменного тока, при этом создаётся вращение магнитного поля. Роторные проводники, попадающие в это магнитное поле, подвергаются воздействию сил, направление которых можно определить с помощью правила левой руки. На ротор действует крутящий момент, его направление совпадает с вращающимся магнитным полем. Если крутящий момент больше момента сопротивления на валу, ротор вращается с частотой, не совпадающей с частотой вращающегося магнитного поля статора, происходит асинхрон. При этом электродвигатель, потребляя электрическую мощность, отдает механическую.

Принцип работы двигателя переменного тока: 2022 Ultimate Guide

Электродвигатели играют важную роль в различных отраслях промышленности, а также имеют широкое применение в нескольких коммерческих и бытовых областях. На рынке доступно множество разновидностей электродвигателей, которые подразделяются на три основных сегмента: двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока и двигатели для конкретных целей. Двигатели переменного тока являются жизнеспособными источниками питания для целого ряда приложений благодаря их гибкости, эффективности и бесшумной работе. Но как работает двигатель переменного тока? В этой статье мы обсудим принцип работы двигателя переменного тока. Читай дальше, чтобы узнать больше.

Что такое двигатель переменного тока?

Двигатель переменного тока представляет собой разновидность электродвигателя, в котором используется явление электромагнитной индукции. Этот электродвигатель приводится в действие «переменным током». Это тип электрического тока, который периодически меняет направление и постоянно меняет свою величину со временем. Этот ток отличается от постоянного тока или «постоянного тока», который течет только в одном направлении.Из простого электрического входного сигнала двигатель переменного тока может предложить сравнительно эффективный метод производства механической энергии.

Конструкция двигателя переменного тока 

Чтобы лучше понять принцип работы двигателя переменного тока, сначала давайте посмотрим, из каких компонентов состоит двигатель переменного тока.

Двигатели переменного тока состоят из рамы или ярма, статора, ротора, подшипников, вентилятора, вала и контактных колец. Каркас используется в качестве внешнего защитного покрытия, которое используется для защиты от условий окружающей среды. Рама также действует как внешняя периферия, так что внутренние части могут быть легко размещены.Участком стабильного состояния оборудования является статор, на который намотана обмотка статора.

Ротор — это движущаяся часть, которая движется либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки в зависимости от приложенной к ней тяги. Подшипники обеспечивают надлежащее трение для плавного вращения ротора. Вентилятор используется для отвода нежелательного тепла, выделяемого во время работы ротора. Он выбрасывается через вентиляцию, расположенную позади машины. Предусмотрен вал для подачи механической мощности при вращении ротора.Токосъемные кольца используются в обычной машине переменного тока, в которой используется стационарная обмотка возбуждения вращающегося якоря. В этой ситуации токосъемные кольца позволяют непрерывно изменять входной переменный ток в катушках.

Принцип работы двигателя переменного тока

Чтобы получить общее представление о том, как именно работает двигатель переменного тока, нам необходимо знать его основные характеристики. Двигатель переменного тока специально работает на переменном токе.

  • Переменный ток или заряд – это ток, направление потока которого в цепи через равные промежутки времени меняется на противоположное.Это также означает, что напряжение в цепи переменного тока периодически изменяется, тогда как в цепи постоянного тока остается относительно постоянным.
  • Теперь двигатель переменного тока использует устройство, называемое генератором переменного тока, для создания этого переменного направления заряда. Это специализированный тип электрического генератора. Когда электричество проходит через вращающийся вал, в этом генераторе обычно создается ротор, электромагнитное поле или ЭДС. Тем временем статор вращается вокруг себя или внутри набора катушек статического провода. Когда ротор вращается относительно статора, результирующая ЭДС меняет направление или полярность в заданных точках относительно статора.
  • Это происходит потому, что он создается заряженным ротором, вращающимся вокруг неподвижной оси. В результате переключения полярности периодическое изменение направления тока в двигателе переменного тока происходит с регулярными и предсказуемыми интервалами. Все это можно сравнить с поршнем или лопастью, которая перемещает воду по системе воздуховодов. Когда поршень перемещает воду внутрь и наружу с постоянной скоростью, он, в свою очередь, толкает воду вперед и назад по каналу.
  • Хотя двигатель переменного тока имеет простую конструкцию, такую ​​как статор с медной обмоткой и роторный механизм с магнитным приводом, это недорогой и высокоэффективный механизм, используемый в самых разных областях. Везде, где используются электроприборы, двигатель переменного тока находит применение в тяжелых промышленных и бытовых условиях, независимо от того, какие типы и категории он имеет.

Узнайте больше о Linquip

Преимущества двигателей переменного тока

Двигатели переменного тока являются предпочтительным источником поставки по следующим причинам: потенциал на долгие годы.Долговечность двигателей переменного тока делает их предпочтительным решением для полевых приложений, таких как сельскохозяйственное оборудование, и коммерческих приложений, таких как торговые автоматы.

Эффективность

Отношение скорости к крутящему моменту двигателей переменного тока позволяет им обеспечивать превосходную производительность во многих приложениях без перегрева, дегенерации или торможения. Вот почему двигатель переменного тока выбирают для приложений с высокими требованиями, таких как насосы и упаковочное оборудование.

Бесшумная работа

Производя меньше шума, двигатели переменного тока идеально подходят для использования в магазинах, больницах и ресторанах.

Доступность

Электродвигатели переменного тока доступны в широком диапазоне размеров и мощностей. Такой широкий диапазон делает его идеальным для многих применений.

Итак, это все, что вам нужно было знать о принципе работы двигателя переменного тока. Если вам понравилась эта статья, дайте нам знать, что вы думаете, оставив ответ в разделе комментариев. Мы будем более чем рады узнать ваше мнение о статье. Есть ли какие-либо вопросы, с которыми мы можем вам помочь? Не стесняйтесь зарегистрироваться на Linquip, где наши специалисты готовы предоставить вам самый профессиональный совет.

Купите оборудование или запросите услугу

Используя Linquip RFQ Service, вы можете рассчитывать на получение предложений от различных поставщиков из разных отраслей и регионов.

Щелкните здесь, чтобы запросить коммерческое предложение от поставщиков и поставщиков услуг

Принцип работы двигателя переменного тока с основными сведениями и конструкцией

Принцип работы двигателя переменного тока основан на простых принципах магнетизма. Но прежде чем подробно обсуждать принцип работы двигателя переменного тока, давайте разберемся с основами.AC является аббревиатурой от Переменный ток . В то время как постоянный или постоянный ток остается постоянным во времени, переменный ток периодически меняет свое направление.

 

Разница между переменным током и постоянным током:

Профиль напряжения постоянного тока показан на рисунке ниже. Посмотрите, как величина напряжения остается постоянной с течением времени. Для работы генератора постоянного тока и двигателя постоянного тока требуется такое напряжение.

Форма сигнала напряжения постоянного тока

 

Ниже приведен профиль напряжения переменного тока.

Один полный цикл источника переменного тока

 

  • В источнике переменного тока двигателя переменного тока величина напряжения начинается с нуля, увеличивается до максимального значения, а затем начинает уменьшаться, пока снова не достигнет нуля. Он совершает полупериод и известен как положительный полупериод .
Положительный полупериод источника переменного тока

 

  • После завершения полупериода величина напряжения снова увеличивается, но уже в обратном направлении.Он следует той же схеме, что и положительный полупериод, и известен как отрицательный полупериод .

 

Отрицательный полупериод источника переменного тока

 

  • Комбинация положительных и отрицательных циклов составляет один полный цикл.
  • Время, необходимое для завершения этого цикла, известно как Период времени . Обратная величина периода времени равна частоте . Таким образом, для электрической системы с частотой 50 Гц этот цикл завершается за 0.02 сек.
  • Двигатели переменного тока
  • работают по принципу электромагнитной индукции . Он преобразует электрическую энергию (в форме переменного тока) в механическую энергию (вращение вала).
  • Принцип работы двигателя переменного тока подробно объясняется после описания базовой конструкции двигателя переменного тока.

 

 

Базовая конструкция двигателя переменного тока

Конструкция двигателя переменного тока

** Источник изображения

Итак, после понимания основ, давайте узнаем, как двигатель переменного тока выглядит изнутри.

  • Если упростить конструкцию двигателя переменного тока, то он состоит из двух основных частей. Стационарная конструкция (статор) и вращающаяся часть (ротор).
  • Неподвижная часть состоит из катушек, покрывающих всю ее внутреннюю периферию. При прохождении электрического тока через эти обмотки электромагниты возбуждаются, создавая полюса с чередующейся полярностью.
  • В двигателях переменного тока
  • в качестве ротора используется либо постоянный магнит , либо сердечник из тонколистовой многослойной стали .Последний использует проводящие стержни вместо катушек проволоки в качестве проводника.
  • Вал удерживает вращающуюся часть двигателя. Подшипники между ними обеспечивают свободное перемещение ротора.
  • Внешняя рама охватывает как неподвижную, так и вращающуюся часть. Он защищает двигатель от воды или любых других факторов окружающей среды.
Статор (справа) и ротор (слева) двигателя переменного тока

**Изображение предоставлено

Принцип работы двигателя переменного тока в деталях

Чтобы понять, как работает двигатель переменного тока, рассмотрим ротор с постоянными магнитами.Ротор свободно перемещается между двумя полюсами электромагнитного статора (полюсами А и В) с небольшим воздушным зазором между ними. Электромагниты подключаются непосредственно к источнику переменного тока.
При подаче переменного тока на электромагниты подается напряжение, и они образуют магнитные полюса.

Упрощенная конструкция, объясняющая принцип работы двигателя переменного тока

 

Случай 1:

Во время положительного полупериода переменного тока пусть полюс А достигает полярности северного полюса, а полюс В достигает полярности южного полюса. Теперь по закону магнетизма разноименные полюса будут притягиваться друг к другу. Итак, полюс А притягивает южный полюс ротора. И ротор выравнивается в положении, как показано на рисунке.

Ориентация ротора во время положительного полупериода

 

Случай 2:

Во время отрицательного полупериода полярность питания переменного тока меняется на противоположную, и, следовательно, меняется полярность полюсов. Так что теперь полюс А достигает полярности южного полюса, а полюс Б получает полярность северного полюса.
В этой ситуации одинаковые полюса обращены друг к другу.Таким образом, отталкивающая магнитная сила будет пытаться отклонить ротор от этого положения. Когда ротор отклоняется, в игру вступает сила магнитного притяжения. И, следовательно, теперь полюс А притягивает северный полюс ротора. Ротор выравнивается в новом положении, как показано на рисунке.

Ориентация ротора во время отрицательного полупериода

 

Вращающееся магнитное поле в двигателе переменного тока

Ротор повернулся на угол 180 градусов. Ротор снова поворачивается на 180 градусов в предстоящий положительный полупериод и так далее.Этот оборот ротора продолжается до тех пор, пока на обмотку статора подается питание.

Вращающееся магнитное поле статора с питанием переменным током

Если мы наблюдаем, магнитное поле статора постоянно меняется. В каждом цикле подачи переменного тока кажется, что магнитное поле вращается внутри периферии статора. С технической точки зрения это называется вращающимся магнитным полем.

 

Что такое RPM (количество оборотов в минуту)?

Оборот ротора на 180 градусов за один цикл переменного тока

Для любой вращающейся машины число оборотов в минуту означает скорость вращения ротора.Это количество оборотов ротора за одну минуту. На приведенном выше рисунке показано, что ротор вращается на 180 градусов за один цикл переменного тока. Таким образом, для системы с частотой 50 Гц ротор совершает один оборот за 0,02 секунды. Правильный? Значит, за одну секунду этот ротор сделает 50 оборотов. И, следовательно, за одну минуту ротор успешно сделает 3000 оборотов внутри периферии статора. Очень быстро, да? Итак, в нашем обсуждаемом примере скорость вращения ротора составляет 3000 об/мин.

 

Заключение

Приведенная выше теория была всего лишь примером, объясняющим, как работает двигатель переменного тока.В электрических системах двигатели переменного тока обычно имеют более двух электромагнитных полюсов для лучшего распределения потока. Не во всех двигателях переменного тока используется постоянный магнит. В зависимости от применения требуются различные типы роторов. Но основной принцип работы двигателя переменного тока всегда остается неизменным. то есть заставляя ротор вращаться в соответствии с вращающимся магнитным полем статора.

Основы двигателя переменного тока

1. Обзор двигателей переменного тока

Электродвигатели переменного тока

— это электродвигатели, которые вращаются за счет энергии от промышленного источника переменного тока. Они просты в обращении и имеют функции, которые можно настроить по низкой цене. Они широко используются для питания различных устройств.

1.1 Простота использования, низкая стоимость

Простое управление двигателями переменного тока путем подключения двигателя к источнику питания переменного тока. Возможен старт с низкими затратами. Для однофазного двигателя подключите конденсатор между источником питания и двигателем.

1.2 Структура двигателя переменного тока

На следующем рисунке показана конструкция стандартного двигателя переменного тока.


1. Фланцевый кронштейн Литой под давлением алюминиевый кронштейн с механической обработкой, запрессован в корпус двигателя

2. Статор состоит из сердечника статора из пластин электромагнитной стали, медной катушки с полиэфирным покрытием и изоляционной пленки

3. Корпус двигателя из литого под давлением алюминия с механической обработкой внутри

4. Ротор Пластины из электромагнитной стали с литым под давлением алюминием

5. Выходной вал доступен с круглым валом и валом-шестерней. Металл, используемый в валу, — S45C. Тип круглого вала имеет плоский вал (выходная мощность 25 Вт 1/30 л.с. или более), а тип вала-шестерни подвергается прецизионной чистовой обработке.

6. Шарикоподшипник

7. Токоподводы с термостойким полиэтиленовым покрытием

8. Краска запекаемая отделка из акриловой смолы или меламиновой смолы

1.3 Принцип работы двигателей переменного тока 1 (Диск Араго)

Двигатели переменного тока

генерируют «магнитный поток» и «индуктивный ток» внутри двигателя за счет действия статора и ротора и получают вращательную силу.
Принцип работы двигателей переменного тока можно объяснить с помощью диска Араго.

Диск Араго — явление, когда магнит перемещается по поверхности металлического диска, диск вращается вслед за магнитом. Сначала подготовьте круглую медную пластину, которая может свободно вращаться, и магнит. Поместите их так, чтобы медная пластина находилась между магнитными полюсами, но магнит не касался медной пластины.
Затем переместите U-образный магнит вдоль края медной пластины.Медная пластина начнет вращаться и преследовать магнит.

Принцип работы диска Араго

Принцип работы диска Араго можно объяснить с помощью «Правила правой руки Флеминга» и «Правила левой руки Флеминга».

 

Правило правой руки Флеминга указывает направление индукционного тока (для генераторов), когда проводник проходит через линии магнитного потока.

Правило левой руки Флеминга указывает направление электродвижущей силы (для двигателей), когда проводник проходит через линии магнитного потока.

 

 

 

 

Мы применяем эти два закона к взаимосвязи между медной пластиной и магнитом в порядке правила правой руки, затем правила левой руки.


Скорость вращения медного диска будет немного меньше скорости вращения магнита. Это позволяет генерировать силу вращения проводником, проходящим через магнитное поле.

1.4 Принцип работы двигателей переменного тока 2 (вращающееся магнитное поле)

Замена дисков Arago на статоры и роторы

Принцип работы двигателя переменного тока можно объяснить, заменив диск Араго внутренней структурой двигателя переменного тока. Электромагниты с полюсом N и полюсом S представляют собой упрощенную модель статора. Замкнутая катушка в центре представляет собой упрощенную модель проводящего ротора.

Поместите замкнутую катушку в магнитное поле и поверните внешний магнит по часовой стрелке.Затем в катушке протекает индукционный ток. Когда течет ток, он взаимодействует с магнитным полем и создает электродвижущую силу в катушке. Катушка начинает вращаться в том же направлении, что и магнит.
В реальном двигателе ротор подобен ряду перекрывающихся катушек, соединенных вместе, чтобы можно было эффективно создавать вращающую силу.

Ротор с короткозамкнутым ротором представляет собой ротор с несколькими перекошенными алюминиевыми и железными стержнями. В короткозамкнутом роторе ток течет по алюминиевой части.

Вращающееся магнитное поле (однофазный источник питания, трехфазный источник питания)

Поскольку статор создает вращающееся магнитное поле вокруг ротора, ротор вращается.
В следующем разделе объясняется, как двигатель переменного тока создает вращающееся магнитное поле.

Однофазный источник питания — фазовый сдвиг с использованием конденсатора

Внутри однофазного двигателя имеются две обмотки: основная обмотка и вспомогательная обмотка.


Подсоедините основную обмотку к источнику питания, а вспомогательную обмотку к источнику питания через конденсатор.
Ток от источника питания поступает непосредственно на основную обмотку. С другой стороны, ток через конденсатор протекает через вспомогательную обмотку.
При работе с однофазным источником питания мы используем фазокомпенсирующий конденсатор, чтобы генерировать форму волны, близкую к двухфазному источнику питания, и генерировать вращающееся магнитное поле.

При подключении однофазного источника питания повторите действия с ① по ④.

①На основную обмотку подается напряжение, на вспомогательную обмотку напряжение не подается.Полюс N и полюс S генерируются в магнитном полюсе основной обмотки.

②На вспомогательную обмотку подается напряжение, а на основную обмотку напряжение не подается. Полюс N и полюс S генерируются в магнитном полюсе вспомогательной обмотки.

③На основную обмотку подается напряжение, на вспомогательную обмотку напряжение не подается. Магнитный полюс, противоположный тому, что в ①, создается в магнитном полюсе основной обмотки.

④На вспомогательную обмотку подается напряжение, а на основную обмотку напряжение не подается.Магнитный полюс, противоположный тому, что в ②, создается в магнитных полюсах вспомогательной обмотки.

Таким образом, магнитное поле, создаваемое в статоре, изменяется, вызывая вращение по часовой стрелке.

Для трехфазного источника питания — фазовый сдвиг источника питания

В однофазных двигателях две обмотки, основная обмотка и вспомогательная обмотка, а трехфазные двигатели состоят из трех обмоток.
Предполагая наличие фаз U, V, W на стороне источника питания, существует три пути, по которым может протекать ток: UV, VW, WU.Подключите эти обмотки непосредственно к источнику питания.


В линии U, V, W трехфазного питания каждая фаза смещена на 120°. Поскольку этот фазовый сдвиг создает вращающееся магнитное поле в статоре, нет необходимости подключать конденсатор, например, в однофазном двигателе.

1.5 Типы двигателей переменного тока

Асинхронный двигатель

Асинхронные двигатели

идеально подходят для приложений, которые работают непрерывно в одном направлении.

Реверсивный двигатель

Реверсивные двигатели

идеально подходят для приложений, где часто повторяются двунаправленные операции.
Включив простой тормоз и увеличив пусковой момент, можно мгновенно изменить направление вращения двигателя.

Конструкция простого тормоза

Реверсивные двигатели имеют простой тормозной механизм (фрикционный тормоз) в задней части двигателя.

Тормозной механизм постоянно давит на тормозную колодку, которая трется о тормозной диск. После остановки двигателя перебег может быть значительно уменьшен по сравнению с асинхронным двигателем.

Двигатель с электромагнитным тормозом

Электродвигатели с электромагнитным тормозом

идеально подходят для приложений, требующих удержания груза, таких как вертикальный привод.
Благодаря использованию электромагнитного тормоза без возбуждения можно удерживать нагрузку при отключении питания.

Электромагнитные тормоза доступны с асинхронными и реверсивными двигателями.

 

Что такое двигатель переменного тока и как он появился?

Во-первых, краткая история.

Двигатель переменного тока, установленный сейчас на вашем заводе, имеет долгую и легендарную историю, которая восходит к открытию Майкла Фарадея в 1830 году, согласно которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в цепи.Пятьдесят восемь лет спустя это открытие привело к получению Николой Теслой в 1888 году патента на первый многофазный асинхронный двигатель переменного тока без коллектора.

Что такое двигатель переменного тока?

На самом базовом уровне ваш двигатель переменного тока представляет собой электродвигатель, приводимый в действие переменным током (AC). Обычно он состоит из двух основных частей: внешнего статора с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и внутреннего ротора, прикрепленного к выходному валу, который создает второе вращающееся магнитное поле.Магнитное поле, создаваемое переменным током, — это то, что вращает вал двигателя, который «в свою очередь» производит механическую энергию двигателя, которая облегчает любое функциональное назначение двигателя в вашей рабочей среде.

Каковы основные типы двигателей переменного тока?

Двумя наиболее распространенными типами двигателей переменного тока являются асинхронные двигатели и синхронные двигатели.

  • Если у вас есть асинхронный двигатель (или асинхронный двигатель), он всегда зависит от небольшой разницы в скорости между вращающимся магнитным полем статора и скоростью вращения вала ротора (называемой скольжением), чтобы индуцировать ток ротора в обмотке переменного тока ротора.В результате ваш асинхронный двигатель не может создавать крутящий момент вблизи синхронной скорости, когда индукция (или скольжение) не имеет значения или перестает существовать.
  • В отличие от этого, синхронный двигатель на вашем заводе или объекте не зависит от индукции скольжения для работы и использует либо постоянные магниты, явно выраженные полюса (имеющие выступающие магнитные полюса), либо обмотку ротора с независимым возбуждением. Синхронный двигатель развивает свой номинальный крутящий момент точно на синхронной скорости.

Другие типы двигателей включают вихретоковые двигатели и механически коммутируемые машины переменного и постоянного тока, в которых скорость зависит от напряжения и соединения обмоток.

Как определяется скорость двигателя?

Скорость вашего двигателя переменного тока определяется главным образом частотой сети переменного тока и количеством полюсов в обмотке статора. Эта скорость выводится из общей формулы, включающей переменные, включающие синхронную скорость (в об/мин), частоту сети переменного тока и количество полюсов на фазную обмотку.

Получается, что фактическая скорость вращения вашего асинхронного двигателя будет меньше расчетной синхронной скорости на величину, известную как скольжение (упомянутую выше), которая увеличивается с увеличением создаваемого крутящего момента.Без нагрузки скорость вашего двигателя будет очень близка к синхронной. Под нагрузкой стандартный двигатель может иметь скольжение от 2 до 3%, а специальные двигатели могут иметь скольжение до 7%.

Вам нужен двигатель переменного тока или его нужно отремонтировать?

В RSAW мы используем практический консультативный подход, при котором личный менеджер проекта информирует вас, если мы считаем, что ремонт или замена двигателя является вашим лучшим следующим шагом. Мы ремонтируем двигатели до 40 тонн, диаметром 144 дюйма и напряжением 13 800 вольт.У нас также есть новые двигатели Baldor/Reliance и Toshiba мощностью до 2000 лошадиных сил, которые готовы к круглосуточной доставке. Позвоните нам или свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше.

типов двигателей переменного тока | Принцип работы

Это подробное руководство охватывает однофазный двигатель (расщепленный полюс, двухфазный, конденсаторный пуск, конденсаторный запуск, конденсаторный пуск и работа) и трехфазный двигатель (трехфазный двигатель с одним напряжением и трехфазный двигатель с двойным напряжением). ) типы, принципы их работы и соответствующие схемы управления и цепи в деталях.

Двигатели переменного тока (AC) являются наиболее распространенным типом двигателей, используемых для производства работ. Мощность двигателей переменного тока варьируется от долей лошадиных сил (л.с.) до тысяч л.с.

Двигатели переменного тока дробной мощности используются в жилых домах для привода холодильников, стиральных машин и сушилок; циркулировать воздух и включать приборы.

Двигатели переменного тока большего размера используются в коммерческих зданиях для привода крупных устройств, таких как системы отопления, вентиляции и кондиционирования, коммерческие стиральные и сушильные машины, лифты/эскалаторы и багажные карусели в аэропортах.

Двигатели переменного тока всех типоразмеров используются в промышленности для производства пищевых продуктов и других потребительских товаров; управлять майнинговым оборудованием; перекачивать воду, сточные воды и нефть; и обеспечить мгновенную работу для любого приложения, требующего безопасного и эффективного источника питания.

Поскольку все двигатели переменного тока работают по одним и тем же основным принципам, понимание их работы, возможностей и ограничений важно при проектировании, установке, обслуживании и поиске и устранении неисправностей любой системы, включающей двигатель.

Типы двигателей переменного тока

Двигатель переменного тока — это двигатель, использующий переменный ток для вращения. Двигатели переменного тока имеют ряд преимуществ перед двигателями постоянного тока.

Одним из преимуществ является то, что двигатели переменного тока имеют только два подшипника, которые могут изнашиваться. Во-вторых, нет необходимости изнашивать щетки, потому что у двигателя нет коллектора. По этим причинам техническое обслуживание минимально. Кроме того, не образуются искры, создающие опасность в присутствии легковоспламеняющихся материалов.

Основными частями двигателя переменного тока являются ротор и статор. Ротор – это вращающаяся часть двигателя переменного тока. Статор – это неподвижная часть двигателя переменного тока. См. рис. 1. Двигатели переменного тока бывают однофазными (1φ) или трехфазными (3φ).

Рис. 1. Основными частями двигателя переменного тока являются ротор и статор.

Однофазные двигатели

Однофазные двигатели используются в жилых помещениях для электроприводов переменного тока, таких как печи, кондиционеры, стиральные машины и т. д.Однофазные двигатели включают двигатели с расщепленными полюсами, двухфазные и конденсаторные двигатели .

Двигатели с экранированными полюсами

Двигатель с экранированными полюсами — это однофазный двигатель переменного тока, в котором для пуска используется экранированный полюс статора. Затенение полюса статора — простейший способ запуска однофазного двигателя. Двигатели с экранированными полюсами обычно имеют мощность 1/20 л.с. или меньше и имеют низкий пусковой момент.

Электродвигатели с расщепленными полюсами обычно применяются в небольших охлаждающих вентиляторах, используемых в компьютерах и домашних развлекательных центрах.

Двигатель с экранированными полюсами в рабочем состоянии

Экранированный полюс обычно представляет собой цельный одиночный виток медного провода, размещенный вокруг части пластин основного полюса. См. рис. 2.

Заштрихованный полюс задерживает магнитное поле в области заштрихованного полюса. Затенение приводит к тому, что магнитное поле в области полюса располагается приблизительно под углом 90° от магнитного поля главного полюса статора.

Смещенное магнитное поле заставляет ротор перемещаться от основного полюса к заштрихованному полюсу.Это движение определяет начальное направление двигателя с расщепленными полюсами.

Рис. 2. В двигателе с экранированными полюсами используется экранированный полюс статора, который обычно представляет собой цельный одиночный виток медного провода.

Двигатели с расщепленной фазой

 Двигатель с расщепленной фазой — это однофазный двигатель переменного тока, который включает в себя рабочую обмотку (основную обмотку) и пусковую обмотку (вспомогательную обмотку). Двигатели с расщепленной фазой — это двигатели переменного тока дробной мощности, обычно от 1/20 до 1/3 л.с.

Двигатели с расщепленной фазой обычно используются для приведения в действие стиральных машин, масляных горелок, небольших насосов и воздуходувок.

Детали двигателя с расщепленной фазой

Двигатель с расщепленной фазой имеет вращающуюся часть (ротор), неподвижную часть, состоящую из рабочей обмотки и пусковой обмотки (статор), и центробежный выключатель, расположенный внутри двигателя для отключения пусковая обмотка примерно на 60–80 % скорости полной нагрузки. См. Рисунок 3 .

Рисунок 3. Двигатель с расщепленной фазой включает рабочую обмотку, пусковую обмотку и центробежный переключатель.

Двигатель с расщепленной фазой в рабочем состоянии

При запуске рабочие обмотки и пусковые обмотки соединяются параллельно. Рабочая обмотка обычно состоит из медного провода с толстой изоляцией, а пусковая обмотка — из медного провода с тонкой изоляцией.

Когда двигатель достигает примерно 75% полной скорости, центробежный выключатель размыкается, отключая пусковую обмотку от цепи.Это позволяет двигателю работать только на рабочей обмотке.

Когда двигатель выключается (питание отключено), центробежный выключатель повторно замыкается примерно на 40% скорости полной нагрузки.

Рабочая обмотка

Рабочая обмотка выполнена из более крупного провода и имеет большее число витков, чем пусковая обмотка. Когда двигатель впервые подключается к сети, реактивное сопротивление рабочей обмотки выше, а сопротивление ниже, чем у пусковой обмотки.

Реактивное сопротивление – это сопротивление протеканию переменного тока в цепи за счет индуктивности.

Пусковая обмотка

Пусковая обмотка выполнена из относительно тонкого провода и имеет меньше витков, чем рабочая обмотка. Когда двигатель впервые подключается к сети, реактивное сопротивление пусковой обмотки ниже, а сопротивление выше, чем у рабочей обмотки.

При первой подаче питания и рабочая обмотка, и пусковая обмотка находятся под напряжением. Ток рабочей обмотки отстает от тока пусковой обмотки из-за ее различного реактивного сопротивления.Это создает разность фаз между пусковой и рабочей обмотками.

Для создания максимального пускового момента требуется разность фаз 90°, но обычно разность фаз намного меньше. Вращающееся магнитное поле создается из-за того, что две обмотки не совпадают по фазе.

Вращающееся магнитное поле запускает вращение ротора. При противофазе рабочей и пусковой обмоток ток изменяется по величине и направлению, а магнитное поле перемещается вокруг статора.Это движение заставляет ротор вращаться вместе с вращающимся магнитным полем.

Конденсаторные двигатели

Конденсаторный двигатель представляет собой однофазный двигатель переменного тока, в котором помимо рабочей и пусковой обмоток имеется конденсатор. Размеры конденсаторных двигателей варьируются от 1/8 л.с. до 10 л.с. Конденсаторные двигатели используются для работы холодильников, компрессоров, стиральных машин и кондиционеров.

Конструкция конденсаторного двигателя

Конструкция конденсаторного двигателя аналогична конструкции двигателя с расщепленной фазой, за исключением того, что в конденсаторном двигателе конденсатор соединен последовательно с пусковой обмоткой.

Добавление конденсатора в пусковую обмотку дает конденсаторному двигателю больший крутящий момент, чем двигателю с расщепленной фазой.

Три типа конденсаторных двигателей: конденсаторный пуск, конденсаторный двигатель и конденсаторный двигатель с пуском и работой.

Двигатель с конденсаторным пуском

Двигатель с конденсаторным пуском работает во многом так же, как двигатель с расщепленной фазой, в том смысле, что в нем используется центробежный переключатель, который размыкается примерно при скорости от 60% до 80% от полной нагрузки.

В двигателе с конденсаторным пуском пусковая обмотка и конденсатор удаляются при размыкании центробежного выключателя.Конденсатор, используемый в пусковой обмотке, придает двигателю с конденсаторным пуском высокий пусковой момент. См. рис. 4.

Рис. 4. Двигатель с конденсаторным пуском имеет конденсатор в пусковой обмотке, который придает двигателю высокий пусковой момент.

Двигатель с конденсатором

В двигателе с конденсатором пусковая обмотка и конденсатор постоянно соединены последовательно.

В двигателе с конденсаторным пуском используется конденсатор меньшей емкости, чем в двигателе с конденсаторным пуском, потому что конденсатор остается в цепи при скорости полной нагрузки.Это дает двигателю с конденсаторным пуском средний пусковой момент и несколько более высокий рабочий крутящий момент, чем у двигателя с конденсаторным пуском. См. Рисунок 5 .

Рис. 5. В двигателе с конденсатором пусковая обмотка и конденсатор постоянно соединены последовательно.

Конденсаторный двигатель с функцией пуска и работы

В конденсаторном двигателе с функцией пуска и работы используются два конденсатора. Конденсаторный двигатель с пуском и вращением запускается с конденсатором одной емкости последовательно с пусковой обмоткой и работает с конденсатором другой емкости последовательно с пусковой обмоткой.

Конденсаторные двигатели с пуском и пуском также известны как двигатели с двумя конденсаторами . См. рис. 6.

Двигатель с конденсаторным пуском и работой имеет такой же пусковой момент, что и двигатель с конденсаторным пуском. Двигатель с конденсаторным пуском и работой имеет больший рабочий крутящий момент, чем двигатель с конденсаторным пуском или двигатель с конденсаторным управлением, потому что емкость лучше согласована для запуска и работы.

Рис. 6. В конденсаторном двигателе с пуском и вращением пусковой конденсатор удаляется, когда двигатель достигает скорости полной нагрузки, но рабочий конденсатор остается в цепи.

В типичном двигателе с пуском и вращением конденсатора один конденсатор используется для пуска двигателя, а другой конденсатор остается в цепи во время работы двигателя.

Для запуска используется конденсатор большой емкости , а для запуска используется конденсатор малой емкости . Конденсаторные двигатели с пусковым механизмом используются для работы холодильников и воздушных компрессоров.

Трехфазные двигатели

Трехфазные двигатели наиболее часто используются в промышленности.Трехфазные двигатели используются в приложениях мощностью от долей лошадиных сил до более 500 л.с.

Трехфазные двигатели используются в большинстве приложений, поскольку они просты по конструкции, требуют минимального обслуживания и дешевле в эксплуатации, чем однофазные двигатели или двигатели постоянного тока. Наиболее распространенным трехфазным двигателем, используемым в большинстве приложений, является асинхронный двигатель.

Асинхронный двигатель — это двигатель, который не имеет физического электрического соединения с ротором. Асинхронные двигатели не имеют щеток, которые изнашиваются или требуют обслуживания.Ток в роторе индуцируется вращающимся магнитным полем статора.

В трехфазном двигателе вращающееся магнитное поле создается автоматически в статоре, когда двигатель подключен к трехфазной сети.

 Обмотки статора соединены в три отдельные обмотки (фазы). Каждая фаза содержит одну треть от общего количества отдельных катушек в двигателе. Эти составные обмотки или фазы представляют собой фазу A, фазу B и фазу C. См. рис. 7.

Рис. 7. Катушки в статоре трехфазного двигателя соединены в три отдельные обмотки (фазы).

Каждая фаза расположена в двигателе под углом 120° к другим фазам. Вращающееся магнитное поле создается в статоре, потому что каждая фаза достигает своего пика магнитной силы на расстоянии 120° от других фаз.

Трехфазные двигатели запускаются автоматически и не требуют дополнительного метода запуска из-за вращающегося магнитного поля в двигателе.

Для создания вращающегося магнитного поля в двигателе обмотки статора должны быть подключены к соответствующему уровню напряжения. Этот уровень напряжения определяется производителем и указывается на заводской табличке двигателя. Трехфазные двигатели проектируются либо как двигатели с одним напряжением , либо как двигатели с двумя напряжениями .

ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Трехфазные двигатели могут использоваться там, где имеется только однофазное питание, поскольку приводы двигателей могут обеспечивать трехфазную (обычно 230 В переменного тока) мощность до 2 л.с. при подключении к 120 или Однофазный источник питания 230 В переменного тока.

Трехфазные двигатели с одним напряжением

Двигатель с одним напряжением — это двигатель, который работает только при одном уровне напряжения.

Двигатели с одним напряжением менее дороги в производстве, чем двигатели с двумя напряжениями, но они ограничены местами с тем же напряжением, что и двигатель.

Стандартные номинальные значения трехфазных двигателей с одним напряжением: 230 В, 460 В и 575 В. Другие номинальные значения трехфазных двигателей с одним напряжением: 200 В, 208 В и 220 В.

Все трехфазные двигатели подключены таким образом, что фазы соединены вместе по схеме «звезда» (Y) или «треугольник» (∆).

В трехфазном двигателе с одним напряжением, соединенным звездой, один конец каждой из трех фаз внутренне соединен с другими фазами. См. рис. 8.

Оставшийся конец каждой фазы выводится наружу и подключается к линии питания. Выводы, выведенные наружу, помечены как первая клемма (T1), вторая клемма (T2) и третья клемма (T3).

При подключении клеммы T1, T2 и T3 согласуются с трехфазными линиями питания, помеченными как первая линия (L1), вторая линия (L2) и третья линия (L3).

Для правильной работы двигателя трехфазные линии, питающие двигатель звездой, должны иметь то же напряжение и частоту, что и двигатель.

В трехфазном двигателе с одним напряжением, соединенным треугольником, каждая обмотка соединена встык, образуя полностью замкнутую цепь. См. рис. 9.

В каждой точке соединения фаз выводы выведены наружу и помечены как первая клемма (T1), вторая клемма (T2) и третья клемма (T3).Эти клеммы, как и у двигателя, соединенного звездой, присоединяются к линиям питания один (L1), два (L2) и три (L3).

Трехфазные линии, подающие питание на двигатель треугольника, должны иметь такое же номинальное напряжение и частоту, что и двигатель.

Рис. 8. В однофазном трехфазном двигателе, соединенном звездой, один конец каждой фазы внутренне соединен с другими фазами.

Рис. 9. В однофазном трехфазном двигателе с соединением треугольником каждая фаза соединена встык, образуя полностью замкнутый контур.

Двухфазные трехфазные двигатели

Большинство трехфазных двигателей сконструированы таким образом, что их можно подключать к любому из двух напряжений.

Изготовление двигателей для двух напряжений позволяет использовать один и тот же двигатель с двумя разными напряжениями сети питания.

Обычное номинальное двойное напряжение для промышленных двигателей составляет 230/460 В. Необходимо проверить паспортную табличку двигателя на предмет надлежащего номинального напряжения.

Более высокое напряжение предпочтительно, когда доступен выбор между напряжениями.Двигатель потребляет одинаковое количество энергии и выдает одинаковую выходную мощность как при высоком, так и при низком напряжении, но при удвоении напряжения (с 230 В до 460 В) ток уменьшается вдвое.

Использование пониженного тока позволяет использовать провод меньшего размера, что снижает стоимость установки.

Трехфазные двигатели с двойным напряжением подключаются таким образом, что фазы соединяются по схеме «звезда» или «треугольник».

На электрической схеме показана система нумерации клемм для трехфазного двигателя с двойным напряжением, соединенным звездой.См. рис. 10.

Девять проводов выведены из двигателя. Эти выводы помечены от T1 до T9 и могут быть подключены снаружи для любого из двух напряжений. Клеммные соединения для высокого и низкого напряжения обычно указаны на заводской табличке двигателя.

Девять выводов соединены либо последовательно (высокое напряжение), либо параллельно (низкое напряжение). Для подключения двигателя высокого напряжения, соединенного звездой, L1 подключается к T1, L2 к T2 и L3 к T3; T4 привязан к T7, T5 к T8 и T6 к T9.Это последовательно соединяет отдельные катушки в фазах A, B и C, при этом каждая катушка получает 50% напряжения между фазой и нейтралью. Нейтральная точка соответствует внутренней точке соединения всех трех фаз.

Для подключения двигателя низкого напряжения, соединенного звездой, L1 подключается к T1 и T7, L2 к T2 и T8, а L3 к T3 и T9; Т4 привязан к Т5 и Т6. Это соединяет отдельные катушки в фазах A, B и C параллельно, так что каждая катушка получает 100% напряжения между фазой и нейтралью.

На электрической схеме показана система нумерации клемм для двигателя с двойным напряжением, соединением треугольником и трехфазным двигателем. См. Рисунок 11 .

Выводы имеют маркировку от T1 до T9, а схема подключения клемм предназначена для проводки высоко- и низковольтных операций.

Девять выводов соединены последовательно или параллельно для высокого или низкого напряжения. В высоковольтной конфигурации катушки соединены последовательно. В низковольтной конфигурации катушки соединены параллельно, чтобы распределить напряжение по номиналам отдельных катушек.

Рисунок 10. В трехфазном двигателе с двойным напряжением, соединенным звездой, каждая фазная катушка разделена на две равные части, и схема подключения используется для отображения системы нумерации клемм.

Рисунок 11. В трехфазном двигателе с двойным напряжением, соединенным треугольником, каждая фазная катушка разделена на две равные части, и схема подключения используется для отображения системы нумерации клемм.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Провода двигателя NEMA — это T1, T2 и T3, к которым подключаются линии питания.Выводы двигателя IEC помечены буквами U, V и W там, где подключаются линии питания. Аналогично, линии электропередач NEMA имеют маркировку L1, L2 и L3, а линии электропередач IEC — R, S и T.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ — Прикладное промышленное электричество

После введения компанией Edison в США системы распределения электроэнергии постоянного тока начался постепенный переход к более экономичной системе переменного тока. Освещение работало как на переменном токе, так и на постоянном. Передача электроэнергии на большие расстояния с меньшими потерями на переменном токе.Однако у двигателей была проблема с переменным током. Первоначально двигатели переменного тока были сконструированы как двигатели постоянного тока, но возникали многочисленные проблемы из-за изменяющихся магнитных полей.

Рисунок 5.1    Схема семейства электродвигателей переменного тока

   

Чарльз П. Стейнмец внес свой вклад в решение этих проблем, исследуя гистерезисные потери в железной арматуре. Никола Тесла представил себе совершенно новый тип двигателя, когда представил себе вращающуюся турбину, вращаемую не водой или паром, а вращающимся магнитным полем.Его новый тип двигателя, асинхронный двигатель переменного тока, по сей день является рабочей лошадкой в ​​отрасли. Его прочность и простота обеспечивают долгий срок службы, высокую надежность и низкие эксплуатационные расходы. Тем не менее, небольшие коллекторные двигатели переменного тока, подобные двигателям постоянного тока, сохраняются в небольших бытовых приборах вместе с небольшими асинхронными двигателями Тесла. Мощность выше одной лошадиной силы (750 Вт) безраздельно властвует двигатель Tesla.

Современные твердотельные электронные схемы управляют бесколлекторными двигателями постоянного тока с помощью сигналов переменного тока, генерируемых источником постоянного тока.Бесщеточный двигатель постоянного тока, фактически двигатель переменного тока, заменяет обычный щеточный двигатель постоянного тока во многих приложениях. А шаговый двигатель , цифровая версия двигателя, приводится в действие прямоугольными волнами переменного тока, опять же, генерируемыми полупроводниковой схемой. На рисунке выше показано генеалогическое древо двигателей переменного тока, описанных в этой главе.

Круизные лайнеры и другие крупные суда заменяют карданные валы с редуктором большими генераторами и двигателями мощностью в несколько мегаватт. Так было с дизель-электрическими локомотивами меньшего масштаба в течение многих лет.

 

Рисунок 5.2 Диаграмма уровня системы двигателя

 

На системном уровне (рисунок выше) двигатель потребляет электрическую энергию в виде разности потенциалов и протекающего тока, преобразуя ее в механическую работу. К сожалению, электродвигатели не на 100% эффективны. Часть электрической энергии теряется в виде тепла, другого вида энергии, из-за потерь I2R (также называемых потерями в меди) в обмотках двигателя. Тепло является нежелательным побочным продуктом этого преобразования. Он должен быть удален с двигателя и может отрицательно сказаться на долговечности.Таким образом, одной из целей является максимальное повышение КПД двигателя за счет снижения тепловых потерь. У двигателей переменного тока также есть некоторые потери, отсутствующие у двигателей постоянного тока: гистерезис и вихревые токи.

Большинство двигателей переменного тока являются асинхронными. Асинхронные двигатели предпочтительнее из-за их прочности и простоты. Фактически, 90% промышленных двигателей являются асинхронными.

Никола Тесла разработал основные принципы многофазного асинхронного двигателя в 1883 году и к 1888 году имел модель мощностью в поллошадиной силы (400 Вт). Тесла продал права на производство Джорджу Вестингаузу за 65 000 долларов.Наиболее крупными (> 1 л.с. или 1 кВт) промышленными двигателями являются многофазные асинхронные двигатели . Под многофазностью мы подразумеваем, что статор содержит несколько отдельных обмоток на полюс двигателя, приводимых в действие соответствующими сдвинутыми во времени синусоидами. На практике это две-три фазы. Большие промышленные двигатели трехфазные. Хотя для простоты мы включили многочисленные иллюстрации двухфазных двигателей, мы должны подчеркнуть, что почти все многофазные двигатели являются трехфазными. Под асинхронным двигателем мы подразумеваем, что обмотки статора индуцируют ток в проводниках ротора, подобно трансформатору, в отличие от щеточного коллекторного двигателя постоянного тока.

Конструкция асинхронного двигателя переменного тока

Асинхронный двигатель состоит из ротора, известного как якорь, и статора с обмотками, подключенными к многофазному источнику энергии, как показано на рисунке ниже. Простой двухфазный асинхронный двигатель, показанный ниже, аналогичен двигателю мощностью 1/2 лошадиной силы, который Никола Тесла представил в 1888 году.

Рисунок 5.3 Многофазный асинхронный двигатель Тесла

Статор на рисунке выше намотан парами катушек, соответствующих фазам доступной электрической энергии.Статор двухфазного асинхронного двигателя имеет 2 пары катушек, по одной паре для каждой из двух фаз переменного тока. Отдельные катушки пары соединены последовательно и соответствуют противоположным полюсам электромагнита. То есть одна катушка соответствует N-полюсу, другая — S-полюсу до тех пор, пока фаза переменного тока не изменит полярность. Другая пара катушек ориентирована в пространстве под углом 90° к первой паре. Эта пара катушек подключена к переменному току, сдвинутому во времени на 90° в случае двухфазного двигателя. Во времена Теслы источником двух фаз переменного тока был двухфазный генератор переменного тока.Статор на рисунке выше имеет выступающих , явно выступающих полюсов, которые использовались в раннем асинхронном двигателе Теслы. Эта конструкция по сей день используется для двигателей малой мощности (<50 Вт). Однако для более крупных двигателей меньшая пульсация крутящего момента и более высокий КПД получаются, если катушки встроены в пазы, вырезанные в листах статора (рисунок ниже).

 

Рисунок 5.4 Рама статора с прорезями для обмоток

 

Пластины статора представляют собой тонкие изолированные кольца с прорезями, выбитыми из листов электротехнической стали.Их стопка закреплена концевыми винтами, которые также могут удерживать концевые корпуса.

 

Рисунок 5.5     Статор с (a) 2-φ и (b) 3-φ обмотками

   

На рисунке выше обмотки двухфазного и трехфазного двигателей установлены в пазах статора. Катушки наматываются на внешнее приспособление, а затем вставляются в пазы. Изоляция, зажатая между периферией катушки и пазом, защищает от истирания. Реальные обмотки статора более сложны, чем отдельные обмотки на полюс на рисунке выше.Сравнивая двигатель 2-φ с двигателем Теслы 2-φ с явно выраженными полюсами, количество катушек такое же. В реальных больших двигателях полюсная обмотка разделена на одинаковые катушки, вставленные во множество меньших пазов, чем указано выше. Эта группа называется фазовым ремнем (см. рисунок ниже). Распределенные катушки фазового пояса подавляют некоторые нечетные гармоники, создавая более синусоидальное распределение магнитного поля поперек полюса. Это показано в разделе синхронного двигателя. Прорези на краю стержня могут иметь меньше витков, чем другие прорези.Краевые пазы могут содержать обмотки от двух фаз. То есть фазовые пояса перекрываются.

 

Рисунок 5.6 Перекрытие фазовых поясов

 

Ключом к популярности асинхронного двигателя переменного тока является его простота, о чем свидетельствует простой ротор (рисунок ниже). Ротор состоит из вала, многослойного стального ротора и встроенной медной или алюминиевой короткозамкнутой клетки , показанной на (b), снятой с ротора. По сравнению с якорем двигателя постоянного тока коллектор отсутствует. Это устраняет щетки, искрение, искрообразование, графитовую пыль, регулировку и замену щеток, а также повторную обработку коллектора.

 

Рисунок 5.7 Многослойный ротор с (а) встроенной короткозамкнутой клеткой, (б) токопроводящей клеткой, снятой с ротора

 

Проводники с короткозамкнутым ротором могут быть перекошены, перекручены по отношению к валу. Несоосность с пазами статора снижает пульсации крутящего момента. Сердечники ротора и статора состоят из пакета изолированных пластин. Пластины покрыты изолирующим оксидом или лаком для минимизации потерь на вихревые токи. Сплав, используемый в пластинах, выбран из-за низких гистерезисных потерь.

Теория работы асинхронных двигателей

Краткое объяснение работы заключается в том, что статор создает вращающееся магнитное поле, которое притягивает ротор. Теория работы асинхронных двигателей основана на вращающемся магнитном поле. Одним из способов создания вращающегося магнитного поля является вращение постоянного магнита. Если движущиеся магнитные линии потока разрезают проводящий диск, он будет следовать за движением магнита. Линии потока, пересекающие проводник, будут индуцировать напряжение и, как следствие, протекание тока в проводящем диске.Этот поток тока создает электромагнит, полярность которого противоположна движению постоянного магнита — Закон Ленца . Полярность электромагнита такова, что он притягивает постоянный магнит. Диск следует с немного меньшей скоростью, чем постоянный магнит.

Рисунок 5.8 Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске

Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске

Крутящий момент, развиваемый диском, пропорционален количеству линий потока, пересекающих диск, и скорости, с которой он режет диск.Если бы диск вращался с той же скоростью, что и постоянный магнит, не было бы ни потока, разрезающего диск, ни протекания индуцированного тока, ни электромагнитного поля, ни крутящего момента. Таким образом, скорость диска всегда будет отставать от скорости вращения постоянного магнита, так что линии потока, пересекающие диск, индуцируют ток, создают электромагнитное поле в диске, которое следует за постоянным магнитом. Если к диску приложена нагрузка, замедляющая его, будет развиваться больший крутящий момент, поскольку больше линий потока пересекает диск. Крутящий момент пропорционален проскальзыванию , степени, в которой диск отстает от вращающегося магнита.Большее скольжение соответствует большему потоку, пересекающему проводящий диск, развивая больший крутящий момент. Аналоговый автомобильный вихретоковый спидометр основан на принципе, показанном выше. Когда диск удерживается пружиной, отклонение диска и иглы пропорционально скорости вращения магнита. Вращающееся магнитное поле создается двумя катушками, расположенными под прямым углом друг к другу, приводимыми в движение токами, сдвинутыми по фазе на 90°. Это не должно вызывать удивления, если вы знакомы с паттернами Лиссажу на осциллографе.

 

Рисунок 5.9 Синусоидальные волны, не соответствующие фазе (90°), создают круговую диаграмму Лиссажу

 

Сдвинутые по фазе (90°) синусоидальные волны создают круговую диаграмму Лиссажу На приведенном выше рисунке круговая кривая Лиссажу создается путем возбуждения горизонтальных и вертикальных входных сигналов осциллографа с синусоидальными волнами, сдвинутыми по фазе на 90°. Начиная с (а) с максимальным «X» и минимальным «Y» отклонением, трасса движется вверх и влево к (b). Между (a) и (b) две формы волны равны 0.707 Впик при 45°. Эта точка (0,707, 0,707) попадает на радиус окружности между (a) и (b). Трассировка движется к (b) с минимальным «X» и максимальным «Y» отклонением. При максимальном отрицательном «X» и минимальном отклонении «Y» трасса перемещается в (c). Затем с минимальным «X» и максимальным отрицательным «Y» он перемещается в (d) и обратно в (a), завершая один цикл.

 

Рисунок 5.10 Окружность синуса по оси X и косинуса по оси Y

 

На рисунке показаны две синусоидальные волны со сдвигом по фазе на 90°, прикладываемые к отклоняющим пластинам осциллографа, которые находятся под прямым углом в пространстве.Комбинация синусоиды с фазой 90° и отклонения под прямым углом приводит к двумерному рисунку – кругу. Этот круг описывается электронным лучом, вращающимся против часовой стрелки.

Полная скорость двигателя и скорость синхронного двигателя

Скорость вращения вращающегося магнитного поля статора связана с количеством пар полюсов на фазу статора. На приведенном ниже рисунке «полная скорость» всего шесть полюсов или три пары полюсов и три фазы. Однако на каждую фазу приходится только одна пара полюсов.Магнитное поле будет вращаться один раз за цикл синусоидальной волны. В случае мощности 60 Гц поле вращается со скоростью 60 раз в секунду или 3600 оборотов в минуту (об/мин). При мощности 50 Гц он вращается со скоростью 50 оборотов в секунду или 3000 об/мин. 3600 и 3000 об/мин — это синхронная скорость  двигателя. Хотя ротор асинхронного двигателя никогда не достигает этой скорости, это, безусловно, верхний предел. Если мы удвоим количество полюсов двигателя, синхронная скорость уменьшится вдвое, потому что магнитное поле поворачивается на 180° в пространстве на 360° электрической синусоиды.

 

Рис. 5.11 Удвоение полюсов статора вдвое снижает синхронную скорость

 

Синхронная скорость определяется как:

[латекс]N_s = \frac{120 \cdot f}{P}[/latex]

 

Где:

N s = Скорость магнитного поля (об/мин)

f = частота подаваемой мощности (Гц)

P = общее количество полюсов на фазу, кратное 2

Приведенный выше рисунок «половина скорости» имеет четыре полюса на фазу (3 фазы).Синхронная скорость для мощности 50 Гц: S = 120·50/4 = 1500 об/мин

Краткое объяснение асинхронного двигателя состоит в том, что вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, тащит за собой ротор. Более длинное и более правильное объяснение состоит в том, что магнитное поле статора индуцирует переменный ток в проводниках короткозамкнутого ротора, который представляет собой трансформатор. вторичный. Этот индуцированный ток ротора, в свою очередь, создает магнитное поле. Магнитное поле вращающегося статора взаимодействует с этим полем ротора.Поле ротора пытается выровняться с вращающимся полем статора. Результатом является вращение короткозамкнутого ротора. Если бы не было механической нагрузки крутящего момента двигателя, подшипников, аэродинамических или других потерь, ротор вращался бы с синхронной скоростью. Однако проскальзывание между ротором и синхронным полем статора создает крутящий момент. Именно магнитный поток, разрезающий проводники ротора при его проскальзывании, создает крутящий момент. Таким образом, нагруженный двигатель будет проскальзывать пропорционально механической нагрузке.Если бы ротор вращался с синхронной скоростью, не было бы ни потока статора, разрезающего ротор, ни тока, индуцируемого в роторе, ни крутящего момента.

Крутящий момент в асинхронных двигателях

Когда на двигатель впервые подается питание, ротор находится в состоянии покоя, а магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью N с . Поле статора режет ротор с синхронной скоростью N s . Ток, наведенный в короткозамкнутых витках ротора, максимален, как и частота тока, частота сети.По мере ускорения ротора скорость, с которой поток статора пересекает ротор, представляет собой разницу между синхронной скоростью N с и фактической скоростью ротора N, или (N с  – N). Отношение фактического потока, обрезающего ротор, к синхронной скорости определяется как скольжение :

 

[латекс]s = \frac{(N_s — N)}{N_s}[/латекс]

Где:

N с = синхронная скорость

Н = скорость ротора

 

Частота тока, индуцированного в проводниках ротора, равна частоте сети при пуске двигателя и уменьшается по мере приближения ротора к синхронной скорости. Частота ротора определяется как:

[латекс]f_r = s \cdot f[/латекс]

Где:

с = скольжение,

f = частота питающей сети статора

 

Проскальзывание при 100% крутящем моменте обычно составляет 5% или менее в асинхронных двигателях. Таким образом, для частоты сети f = 50 Гц частота наведенного тока в роторе:

f r = S(f )
= 0,05 (50 Гц)
= 2,5 Гц.

Почему так мало? Магнитное поле статора вращается с частотой 50 Гц.Скорость ротора меньше на 5%. Вращающееся магнитное поле режет ротор только на частоте 2,5 Гц. 2,5 Гц — это разница между синхронной скоростью и фактической скоростью вращения ротора. Если ротор будет вращаться немного быстрее, на синхронной скорости, никакой поток вообще не перережет ротор, f r  = 0,

 

Рисунок 5.12. Крутящий момент и скорость в зависимости от % скольжения.

 

На приведенном выше графике показано, что пусковой крутящий момент, известный как крутящий момент с заблокированным ротором (T LR ), превышает 100% крутящего момента при полной нагрузке (T FL ), безопасного постоянного крутящего момента.Крутящий момент заблокированного ротора составляет около 175 % от T FL для приведенного выше примера двигателя. Пусковой ток, известный как ток блокировки ротора (I LR ), составляет 500% от тока полной нагрузки (I FL ), безопасного рабочего тока. Ток высокий, потому что это аналогично закороченной вторичной обмотке трансформатора. Когда ротор начинает вращаться, крутящий момент может немного уменьшиться для определенных классов двигателей до значения, известного как подтягивающий момент . Это самое низкое значение крутящего момента, с которым когда-либо сталкивался пусковой двигатель.Когда ротор набирает 80 % синхронной скорости, крутящий момент увеличивается со 175 % до 300 % крутящего момента при полной нагрузке. Этот разрывной крутящий момент (T BD ) возникает из-за большего, чем обычно, 20-процентного проскальзывания. Ток уменьшился лишь незначительно в этой точке, но будет быстро уменьшаться после этой точки. Когда ротор разгоняется до нескольких процентов от синхронной скорости, крутящий момент и ток существенно уменьшаются. Проскальзывание будет составлять всего несколько процентов при нормальной работе. Для работающего двигателя любая часть кривой крутящего момента ниже 100 % номинального крутящего момента является нормальной.Нагрузка двигателя определяет рабочую точку на кривой крутящего момента. В то время как крутящий момент и ток двигателя могут превышать 100 % в течение нескольких секунд во время запуска, непрерывная работа при превышении 100 % может привести к повреждению двигателя. Любая нагрузка по крутящему моменту двигателя выше предельного крутящего момента приведет к остановке двигателя. Крутящий момент, скольжение и ток будут приближаться к нулю для состояния нагрузки «отсутствие механического крутящего момента». Это состояние аналогично открытому вторичному трансформатору. Существует несколько основных конструкций асинхронных двигателей, демонстрирующих значительные отклонения от приведенной выше кривой крутящего момента.Различные конструкции оптимизированы для запуска и работы с различными типами нагрузок. Крутящий момент заблокированного ротора (T LR ) для двигателей различных конструкций и размеров находится в диапазоне от 60% до 350% от момента полной нагрузки (T FL ). Пусковой ток или ток блокировки ротора (I LR ) может составлять от 500% до 1400% тока полной нагрузки (I FL ). Это потребление тока может представлять проблему для запуска больших асинхронных двигателей.

Классы двигателей NEMA и IEC

Различные стандартные классы (или конструкции) для двигателей, соответствующие кривым крутящего момента (рисунок ниже), были разработаны для лучшего управления нагрузками различных типов.Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) определила классы двигателей A, B, C и D для соответствия этим требованиям привода. Аналогичные классы N и H Международной электротехнической комиссии (МЭК) соответствуют конструкциям NEMA B и C соответственно.

Рисунок 5.13 Характеристики конструкций NEMA

 

Характеристики конструкций NEMA

Все двигатели, кроме класса D, работают с проскальзыванием 5% или менее при полной нагрузке.

  • Класс B (IEC Класс N)  двигатели по умолчанию используются в большинстве приложений.При пусковом моменте LRT = от 150% до 170% FLT он может запускать большинство нагрузок без чрезмерного пускового тока (LRT). КПД и коэффициент мощности высокие. Обычно он приводит в действие насосы, вентиляторы и станки.
  • Класс A Пусковой крутящий момент такой же, как у класса B. Отпускной крутящий момент и пусковой ток (LRT) выше. Этот двигатель справляется с кратковременными перегрузками, которые встречаются в машинах для литья под давлением.
  • Класс C (IEC Класс H)  имеет более высокий пусковой крутящий момент, чем классы A и B, при LRT = 200 % от FLT.Этот двигатель применяется для нагрузок с жестким пуском, которые должны приводиться в движение с постоянной скоростью, таких как конвейеры, дробилки, поршневые насосы и компрессоры.
  • Двигатели класса D имеют самый высокий пусковой момент (LRT) в сочетании с низким пусковым током из-за высокого скольжения (от 5% до 13% при FLT). Большое скольжение приводит к снижению скорости. Регулировка скорости плохая. Тем не менее, двигатель отлично справляется с нагрузками с высокой переменной скоростью, такими как те, для которых требуется маховик с накоплением энергии. Области применения включают штамповочные прессы, ножницы и элеваторы.
  • Электродвигатели класса E представляют собой более эффективную версию класса B.
  • Двигатели класса F  имеют гораздо более низкие LRC, LRT и пусковой момент, чем класс B. Они управляют постоянными, легко запускаемыми нагрузками.

Коэффициент мощности в асинхронных двигателях

Асинхронные двигатели имеют отстающий (индуктивный) коэффициент мощности по отношению к линии электропередачи. Коэффициент мощности в больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателях может достигать 90 % для больших высокоскоростных двигателей. При 3/4 полной нагрузки максимальный коэффициент мощности высокоскоростного двигателя может составлять 92%.Коэффициент мощности для небольших тихоходных двигателей может составлять всего 50 %. При пуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, увеличиваясь по мере того, как ротор достигает скорости. Коэффициент мощности (PF) значительно зависит от механической нагрузки двигателя (рисунок ниже). Ненагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичной обмотке. Небольшое сопротивление отражается от вторичной обмотки (ротор) к первичной обмотке (статор). Таким образом, линия электропередач испытывает реактивную нагрузку всего 10% PF. Когда ротор нагружается, увеличивающаяся резистивная составляющая отражается от ротора к статору, увеличивая коэффициент мощности.

 

Рисунок 5.14 Коэффициент мощности и КПД асинхронного двигателя

КПД асинхронных двигателей

Большие трехфазные двигатели более эффективны, чем трехфазные двигатели меньшего размера и почти все однофазные двигатели. КПД большого асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя чаще встречается 90%. КПД слабонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя низкий, поскольку большая часть тока приходится на поддержание намагничивающего потока. По мере увеличения нагрузки по крутящему моменту для создания крутящего момента потребляется больше тока, в то время как ток, связанный с намагничиванием, остается постоянным.Эффективность при 75% FLT может быть немного выше, чем при 100% FLT. Эффективность снижается на несколько процентов при 50% FLT и еще на несколько процентов при 25% FLT. Эффективность становится плохой только ниже 25% FLT. Изменение КПД в зависимости от нагрузки показано на рисунке выше. Асинхронные двигатели обычно имеют увеличенный размер, чтобы гарантировать, что их механическая нагрузка может запускаться и приводиться в действие при любых условиях эксплуатации. Если многофазный двигатель нагружается при крутящем моменте менее 75 % от номинального, когда КПД достигает пика, эффективность снижается лишь незначительно до 25 % FLT.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА в конце 1970-х годов предложил корректор коэффициента мощности (PFC) в качестве энергосберегающего устройства для однофазных асинхронных двигателей. Он основан на предположении, что асинхронный двигатель с неполной нагрузкой менее эффективен и имеет более низкий коэффициент мощности, чем двигатель с полной нагрузкой. Таким образом, в двигателях с частичной нагрузкой, в частности, в двигателях 1-φ, необходимо экономить энергию. Энергия, потребляемая для поддержания магнитного поля статора, относительно постоянна по отношению к изменениям нагрузки.В то время как в полностью нагруженном двигателе нечего экономить, напряжение на частично нагруженном двигателе может быть уменьшено, чтобы уменьшить энергию, необходимую для поддержания магнитного поля. Это повысит коэффициент мощности и КПД. Это была хорошая концепция для общеизвестно неэффективных однофазных двигателей, для которых она предназначалась. Эта концепция не очень применима к большим трехфазным двигателям. Из-за их высокой эффективности (90%+) экономия энергии невелика. Более того, двигатель с КПД 95 % по-прежнему имеет КПД 94 % при 50 % крутящего момента при полной нагрузке (FLT) и КПД 90 % при 25 % FLT.Потенциальная экономия энергии при переходе от 100 % FLT к 25 % FLT представляет собой разницу в эффективности 95 % – 90 % = 5 %. Это не 5% мощности при полной нагрузке, а 5% мощности при пониженной нагрузке. Корректор коэффициента мощности Nola может быть применим к 3-фазному двигателю, который большую часть времени работает на холостом ходу (ниже 25% FLT), например, к штамповочному прессу. Срок окупаемости дорогого электронного контроллера оценивается как непривлекательный для большинства приложений. Тем не менее, это может быть экономично в составе электронного пускателя двигателя или регулятора скорости.Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если это привод

.

Асинхронные двигатели в качестве генераторов переменного тока

Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если он приводится в действие крутящим моментом, превышающим 100 % синхронной скорости (рисунок ниже). Это соответствует нескольким процентам «отрицательного» скольжения, скажем, -1%. Это означает, что, поскольку мы вращаем двигатель быстрее, чем синхронная скорость, ротор движется на 1% быстрее, чем магнитное поле статора. Обычно он отстает на 1% в двигателе.Поскольку ротор пересекает магнитное поле статора в противоположном направлении (вперед), ротор индуцирует напряжение в статоре, возвращая электрическую энергию обратно в линию электропередачи.

 

Рисунок 5.15    Отрицательный крутящий момент превращает асинхронный двигатель в генератор

 

Такой индукционный генератор должен возбуждаться от «живого» источника мощностью 50 или 60 Гц. Энергия не может быть произведена в случае сбоя питания энергетической компании. Этот тип генератора переменного тока не подходит в качестве резервного источника питания.В качестве генератора ветряной турбины вспомогательной мощности он имеет то преимущество, что не требует автоматического выключателя отключения питания для защиты ремонтных бригад. Это отказоустойчиво.

Небольшие удаленные (от электросети) установки можно сделать самовозбуждающимися путем размещения конденсаторов параллельно фазам статора. Если нагрузка удалена, остаточный магнетизм может генерировать небольшой ток. Этот ток может протекать через конденсаторы без рассеивания мощности. Когда генератор разгоняется до полной скорости, ток увеличивается, чтобы обеспечить ток намагничивания статора.В этот момент можно приложить нагрузку. Регулировка напряжения плохая. Асинхронный двигатель можно преобразовать в генератор с самовозбуждением путем добавления конденсаторов.

Процедура запуска заключается в разгоне ветряной турбины до скорости в моторном режиме путем подачи на статор нормального сетевого напряжения. Любая скорость турбины, вызванная ветром, превышающая синхронную скорость, будет развивать отрицательный крутящий момент, возвращая мощность обратно в линию электропередачи, изменяя нормальное направление электрического счетчика киловатт-часов.В то время как асинхронный двигатель имеет отстающий коэффициент мощности от линии электропередачи, асинхронный генератор переменного тока имеет опережающий коэффициент мощности. Асинхронные генераторы не нашли широкого применения в обычных электростанциях. Скорость привода паровой турбины постоянна и регулируется в соответствии с требованиями синхронных генераторов переменного тока. Синхронные генераторы также более эффективны.

Скорость ветряной турбины трудно контролировать, и она зависит от порывов ветра. Индукционный генератор лучше справляется с этими изменениями из-за присущего ему проскальзывания.Это нагружает зубчатую передачу и механические компоненты меньше, чем синхронный генератор. Однако это допустимое изменение скорости составляет всего около 1%. Таким образом, асинхронный генератор с прямым подключением к сети считается ветровой турбиной с фиксированной скоростью (см. «Асинхронный генератор с двойным питанием» для истинного генератора переменного тока с переменной скоростью). Несколько генераторов или несколько обмоток на общем валу можно переключать, чтобы обеспечить высокую и низкую скорость, чтобы приспособиться к переменным ветровым условиям.

 

Асинхронные двигатели с несколькими полями

Асинхронные двигатели могут содержать несколько обмоток возбуждения, например, 4-полюсную и 8-полюсную обмотки, соответствующие синхронным скоростям 1800 и 900 об/мин.Активация того или иного поля менее сложна, чем перемонтаж катушек статора.

 

Рисунок 5.16 Несколько полей позволяют изменить скорость

 

Если поле сегментировано с выведенными выводами, его можно перемонтировать (или переключить) с 4-полюсного на 2-полюсное, как показано выше для 2-фазного двигателя. Сегменты 22,5° можно переключать на сегменты 45°. Для ясности выше показано подключение только одной фазы. Таким образом, наш асинхронный двигатель может работать на нескольких скоростях. При переключении вышеупомянутого двигателя частотой 60 Гц с 4 полюсов на 2 полюса синхронная скорость увеличивается с 1800 об/мин до 3600 об/мин.

 

В:  Если двигатель работает на частоте 50 Гц, каковы будут соответствующие 4-полюсные и 2-полюсные синхронные скорости?

А:

[латекс]N_s = \frac{120f}{P}[/латекс]  [латекс]N_s = \frac{120*50 Гц}{4}[/латекс]  [латекс] = 1500 об/мин (4 полюса)[ /латекс]

[латекс]N_s = \frac{120f}{P}[/латекс]  [латекс]N_s = \frac{120*50 Гц}{2}[/латекс][латекс]= 3000 об/мин (2-полюсный)[ /латекс]

 

Асинхронные двигатели с регулируемым напряжением

Скорость небольших асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для таких приложений, как привод вентиляторов, может быть изменена путем снижения сетевого напряжения.Это уменьшает крутящий момент, доступный для нагрузки, что снижает скорость (см. рисунок ниже).

Рисунок 5.17 Переменное напряжение управляет скоростью асинхронного двигателя

Электронное управление скоростью в асинхронных двигателях

Современная полупроводниковая электроника расширяет возможности управления скоростью. Изменяя частоту сети 50 или 60 Гц на более высокие или более низкие значения, можно изменить синхронную скорость двигателя. Однако уменьшение частоты тока, подаваемого на двигатель, также уменьшает реактивное сопротивление X L  , что увеличивает ток статора.Это может привести к насыщению магнитной цепи статора с катастрофическими последствиями. На практике напряжение на двигателе необходимо уменьшать при снижении частоты.

 

Рисунок 5.18 Электронный преобразователь частоты

 

И наоборот, частота привода может быть увеличена для увеличения синхронной скорости двигателя. Однако напряжение необходимо увеличить, чтобы преодолеть увеличивающееся реактивное сопротивление, чтобы поддерживать ток на нормальном уровне и поддерживать крутящий момент. Инвертор приближает синусоидальные волны к двигателю с выходами широтно-импульсной модуляции.Это обрезанная форма волны, которая либо включена, либо выключена, имеет высокий или низкий уровень, процент времени «включения» соответствует мгновенному напряжению синусоидальной волны.

После применения электроники для управления асинхронным двигателем становится доступным множество методов управления, от простых до сложных:

  • Скалярное управление:  Описанный выше недорогой метод управления только напряжением и частотой без обратной связи.
  • Векторное управление: Также известно как векторное фазовое управление.Компоненты тока статора, создающие поток и крутящий момент, измеряются или оцениваются в режиме реального времени, чтобы улучшить кривую скорости вращения двигателя. Это требует интенсивных вычислений.
  • Прямое управление крутящим моментом:  Продуманная адаптивная модель двигателя обеспечивает более прямое управление потоком и крутящим моментом без обратной связи. Этот метод быстро реагирует на изменение нагрузки.

 

  • Многофазный асинхронный двигатель состоит из многофазной обмотки, встроенной в многослойный статор, и проводящей короткозамкнутой клетки, встроенной в многослойный ротор.
  • Трехфазные токи, протекающие внутри статора, создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток и, как следствие, магнитное поле в роторе. Крутящий момент ротора развивается, когда ротор немного проскальзывает за вращающимся полем статора.
  • В отличие от однофазных двигателей, многофазные асинхронные двигатели запускаются автоматически.
  • Пускатели двигателей минимизируют нагрузку на линию электропередачи, обеспечивая при этом больший пусковой момент, чем требуется во время работы.Пускатели для снижения сетевого тока требуются только для больших двигателей.
  • Трехфазные двигатели будут работать на одной фазе, если они запущены.
  • Статический преобразователь фазы  – это трехфазный двигатель, работающий от одной фазы без нагрузки на валу и генерирующий трехфазный выходной сигнал.
  • Несколько обмоток возбуждения  можно перемонтировать для нескольких дискретных скоростей двигателя путем изменения количества полюсов.

 

Трехфазный двигатель может работать от однофазного источника питания.Однако он не запустится самостоятельно. Его можно запускать вручную в любом направлении, набирая скорость за несколько секунд. Он будет развивать только 2/3 номинальной мощности 3-φ, потому что одна обмотка не используется.

Рисунок 5.19. Двигатель 3-φ работает от мощности 1-φ, но не запускается

Одна катушка однофазного двигателя

Одиночная катушка однофазного асинхронного двигателя создает не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее поле, достигающее максимальной интенсивности при 0° и 180° электрического поля.

Рисунок 5.20 Однофазный статор создает невращающееся пульсирующее магнитное поле

 

Другая точка зрения состоит в том, что одиночная катушка, возбуждаемая однофазным током, создает два вектора магнитного поля, вращающиеся в противоположных направлениях, дважды совпадающие за оборот при 0° (рис. выше-а) и 180° (рис. д). Когда вектора поворачиваются на 90° и -90°, они компенсируются на рисунке c. При углах 45° и -45° (рисунок b) они частично складываются по оси +x и компенсируются по оси y. Аналогичная ситуация существует на рисунке d.Сумма этих двух векторов представляет собой вектор, стационарный в пространстве, но меняющий полярность во времени. Таким образом, пусковой момент не развивается.

Однако, если ротор вращается вперед со скоростью, немного меньшей синхронной скорости, он будет развивать максимальный крутящий момент при 10% скольжении по отношению к вектору прямого вращения. Меньший крутящий момент будет развиваться выше или ниже 10% скольжения. Ротор будет иметь проскальзывание 200–10 % относительно вектора магнитного поля, вращающегося в противоположных направлениях. Небольшой крутящий момент (см. кривую крутящего момента в зависимости от скольжения), кроме двухчастотной пульсации, возникает из-за вращения вектора в противоположных направлениях.Таким образом, однофазная катушка будет развивать крутящий момент после запуска ротора. Если ротор запустить в обратном направлении, он будет развивать такой же большой крутящий момент, когда он приближается к скорости обратного вращения вектора.

Однофазные асинхронные двигатели имеют медную или алюминиевую короткозамкнутую клетку, встроенную в цилиндр из стальных пластин, типичный для многофазных асинхронных двигателей.

Конденсаторный двигатель с постоянным разделением каналов

Одним из способов решения проблемы однофазного двигателя является создание двухфазного двигателя, получающего двухфазное питание от однофазного.Для этого требуется двигатель с двумя обмотками, разнесенными на 90 ° электрических, питаемых двумя фазами тока, смещенными во времени на 90 ° . Это называется двигателем с постоянно разделенным конденсатором.

Рисунок 5.21 Асинхронный двигатель с постоянным конденсатором

Асинхронный двигатель с постоянным разъемом конденсатора

В двигателе этого типа наблюдается повышенная величина тока и сдвиг времени назад по мере того, как двигатель достигает скорости, с пульсациями крутящего момента на полной скорости. Решение состоит в том, чтобы конденсатор (сопротивление) был небольшим, чтобы минимизировать потери.Потери меньше, чем для двигателя с расщепленными полюсами. Эта конфигурация двигателя хорошо работает до 1/4 лошадиных сил (200 Вт), хотя обычно применяется к двигателям меньшего размера. Направление двигателя легко изменить, включив конденсатор последовательно с другой обмоткой. Этот тип двигателя может быть адаптирован для использования в качестве серводвигателя, описанного в другом месте этой главы.

Рисунок 5.22. Однофазный асинхронный двигатель со встроенными катушками статора

Однофазные асинхронные двигатели могут иметь катушки, встроенные в статор для двигателей большего размера.Тем не менее, меньшие размеры используют менее сложные для создания сосредоточенных обмоток с выступающими полюсами.

Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором

На приведенном ниже рисунке для запуска однофазного асинхронного двигателя через вспомогательную обмотку можно использовать конденсатор большей емкости, если он отключается центробежным выключателем, как только двигатель набирает скорость. Более того, вспомогательная обмотка может состоять из гораздо большего количества витков более толстого провода, чем используется в резистивном двигателе с расщепленной фазой, чтобы уменьшить чрезмерное повышение температуры.В результате для тяжелых нагрузок, таких как компрессоры кондиционера, доступен больший пусковой крутящий момент. Эта конфигурация двигателя работает настолько хорошо, что доступна в размерах с несколькими лошадиными силами (несколько киловатт).

Рисунок 5.23 Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором

 

Асинхронный двигатель с конденсаторным двигателем

Вариант двигателя с конденсаторным пуском (рисунок ниже) состоит в том, чтобы запустить двигатель с относительно большим конденсатором для высокого пускового момента, но оставить конденсатор меньшего номинала на месте после пуска, чтобы улучшить рабочие характеристики, не потребляя чрезмерного тока.Дополнительная сложность двигателя с конденсаторным приводом оправдана для двигателей большего размера.

Рисунок 5.24 Асинхронный двигатель с конденсаторным двигателем

 

Пусковой конденсатор двигателя может быть двуханодным неполярным электролитическим конденсатором, который может представлять собой два последовательно соединенных полярных электролитических конденсатора + к + (или – к -). Такие электролитические конденсаторы, рассчитанные на переменный ток, имеют настолько высокие потери, что их можно использовать только в повторно-кратковременном режиме (1 секунда включена, 60 секунд выключена), например при запуске двигателя. Конденсатор для работы двигателя должен быть не электролитического, а полимерного типа с меньшими потерями.

Асинхронный двигатель с расщепленной фазой сопротивления

Если вспомогательная обмотка с гораздо меньшим количеством витков, меньший провод помещается под углом 90 ° к основной обмотке, он может запускать однофазный асинхронный двигатель. При более низкой индуктивности и более высоком сопротивлении ток будет испытывать меньший фазовый сдвиг, чем основная обмотка. Можно получить около 30 ° разности фаз. Эта катушка создает умеренный пусковой момент, который отключается центробежным выключателем на 3/4 синхронной скорости.Эта простая схема (без конденсатора) хорошо подходит для двигателей мощностью до 1/3 лошадиных сил (250 Вт), приводящих в движение легко запускаемые нагрузки.

Рисунок 5.25 Асинхронный двигатель с расщепленной фазой сопротивления

 

Этот двигатель имеет больший пусковой момент, чем двигатель с расщепленными полюсами (следующий раздел), но не такой большой, как двухфазный двигатель, собранный из тех же деталей. Плотность тока во вспомогательной обмотке во время пуска настолько высока, что последующее быстрое повышение температуры исключает частые повторные пуски или медленные пусковые нагрузки.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА в середине 1970-х годов предложил корректор коэффициента мощности для повышения эффективности асинхронных двигателей переменного тока. Он основан на предположении, что асинхронные двигатели неэффективны при меньшей нагрузке, чем полная. Эта неэффективность коррелирует с низким коэффициентом мощности. Коэффициент мощности меньше единицы из-за тока намагничивания, необходимого статору. Этот фиксированный ток составляет большую долю от общего тока двигателя по мере уменьшения нагрузки двигателя.При малой нагрузке полный ток намагничивания не требуется. Его можно уменьшить, уменьшив приложенное напряжение, улучшив коэффициент мощности и эффективность. Корректор коэффициента мощности определяет коэффициент мощности и снижает напряжение двигателя, тем самым восстанавливая более высокий коэффициент мощности и уменьшая потери.

Поскольку однофазные двигатели примерно в 2–4 раза менее эффективны, чем трехфазные двигатели, для двигателей 1-φ существует потенциальная экономия энергии. Для полностью нагруженного двигателя нет экономии, поскольку требуется весь ток намагничивания статора.Напряжение не может быть снижено. Но есть потенциальная экономия от менее чем полностью загруженного двигателя. Двигатель с номинальным напряжением 117 В переменного тока рассчитан на работу при напряжении от 127 до 104 В переменного тока. Это означает, что он не полностью загружен при работе от напряжения выше 104 В переменного тока, например, холодильник на 117 В переменного тока. Для регулятора коэффициента мощности безопасно снизить напряжение сети до 104–110 В переменного тока. Чем выше начальное линейное напряжение, тем больше возможная экономия. Конечно, если энергетическая компания поставляет напряжение ближе к 110 В переменного тока, двигатель будет работать более эффективно без каких-либо дополнительных устройств.

Любой однофазный асинхронный двигатель, практически не работающий, с 25% FLC или менее, является кандидатом на PFC. Тем не менее, он должен работать большое количество часов в год. И чем больше времени он простаивает, как в лесопильном станке, пробивном прессе или конвейере, тем больше вероятность того, что контроллер окупится за несколько лет эксплуатации. Платить за него должно быть втрое легче, чем за более эффективный 3-φ-двигатель. Стоимость PFC не может быть возмещена для двигателя, работающего всего несколько часов в день.

Краткое описание: Однофазные асинхронные двигатели

  • Однофазные асинхронные двигатели не запускаются самостоятельно без вспомогательной обмотки статора, приводимой в действие противофазным током около 90 ° . После запуска вспомогательная обмотка не является обязательной.
  • Вспомогательная обмотка двигателя с постоянным разъемом конденсатора имеет последовательно включенный конденсатор во время запуска и работы.
  • Асинхронный двигатель с конденсаторным пуском имеет только конденсатор, включенный последовательно с вспомогательной обмоткой во время пуска.
  • Двигатель с конденсатором обычно имеет большой неполяризованный электролитический конденсатор, включенный последовательно со вспомогательной обмоткой для запуска, а затем меньший неэлектролитический конденсатор во время работы.
  • Вспомогательная обмотка резистивного двигателя с расщепленной фазой создает разность фаз по сравнению с основной обмоткой во время пуска из-за разности сопротивлений.
Принцип работы привода переменного тока

Abstract : В этой статье показан принцип работы привода переменного тока (преобразователь частоты или ЧРП).Также описывается производительность привода переменного тока. Имитационная модель моделируется с помощью MATLAB Simulink, и их результаты также анализируются. Также анализируется общее гармоническое искажение (THD) в сигналах. Использование частотно-регулируемого привода резко увеличилось в области применения HVAC. Обычно приводы переменного тока применяются в системах обработки воздуха, чиллерах, насосах и башенных вентиляторах. Лучшее понимание принципа работы привода переменного тока приводит к улучшению применения и выбора как оборудования, так и системы HVAC.Эта статья предназначена для того, чтобы дать базовое понимание терминов привода переменного тока, работы привода переменного тока и улучшения коэффициента мощности, смягчения гармоник приводом переменного тока и проекта моделирования, чтобы показать, как привод переменного тока полезен для энергосбережения. В дополнение к этому документу будет обсуждаться сравнение частотно-регулируемых приводов и других технологий по отношению к промышленным стандартам.

Введение
Индустрия приводов переменного тока быстро растет, и сейчас как никогда важно, чтобы технические специалисты и обслуживающий персонал обеспечивали бесперебойную работу приводов переменного тока.Приводы переменного тока изменяют скорость двигателя переменного тока путем изменения напряжения и частоты питания, подаваемого на двигатель переменного тока. Чтобы поддерживать надлежащий коэффициент мощности и уменьшить чрезмерный нагрев двигателя, необходимо поддерживать соотношение вольт/герц, указанное на паспортной табличке. Это основная задача ЧРП. Основной принцип работы приводов переменного тока:

  1. Приводы переменного тока используются для бесступенчатого управления скоростью асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, которые в основном используются на технологических установках из-за их прочности и длительного срока службы без обслуживания.
  2. Привод переменного тока управляет скоростью двигателя переменного тока путем изменения выходного напряжения и частоты с помощью сложного электронного устройства, управляемого микропроцессором.
  3. Привод переменного тока состоит из выпрямительного и инверторного блоков. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянное напряжение, а инвертор преобразует постоянное напряжение обратно в переменное.

Принцип работы привода переменного тока


Для понимания основных принципов работы привода переменного тока требуется понимание трех основных частей привода переменного тока: блока выпрямителя, шины постоянного тока и блока инвертора.

Напряжение питания сначала проходит через блок выпрямителя, где оно преобразуется в питание переменного тока в постоянное, трехфазное питание питается трехфазным двухполупериодным диодом, где оно преобразуется в питание постоянного тока. Шина постоянного тока содержит секцию фильтра, в которой отфильтровываются гармоники, возникающие при преобразовании переменного тока в постоянный. Последняя секция состоит из секции инвертора, состоящей из шести IGBT, где отфильтрованный источник постоянного тока преобразуется в квазисинусоидальную волну переменного тока, которая питает подключенный к нему двигатель переменного тока.

Из принципа работы двигателя переменного тока мы знаем, что синхронная скорость двигателя (об/мин) зависит от частоты. Следовательно, изменяя частоту источника питания через привод переменного тока, мы можем управлять скоростью синхронного двигателя:

Скорость (об/мин) = частота (Гц) x 120 / количество полюсов
Где:
Частота = электрическая частота источника питания в Гц. Количество полюсов = количество электрических полюсов в статоре двигателя. Таким образом, мы можем удобно регулировать скорость двигателя переменного тока, изменяя частоту, подаваемую на двигатель.Есть еще один способ заставить двигатель переменного тока работать на другой скорости, изменив параметр No. полюсов, но это изменение было бы физическим изменением двигателя. Поскольку ЧРП обеспечивает частоту и выходное напряжение, необходимые для изменения скорости двигателя, это делается с помощью ЧРП с широтно-импульсной модуляцией. Преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) генерирует импульсы различной ширины, которые объединяются для создания необходимой формы волны.

Поскольку частота может легко изменяться по сравнению с полюсами двигателя, поэтому часто используются приводы переменного тока.

Работа с постоянным соотношением V/F
Все приводы переменного тока поддерживают постоянное отношение выходного напряжения к частоте (V/f) на всех скоростях по следующей причине. Фазное напряжение V, частота f и магнитный поток ϕ двигателя связаны уравнением:

V = 4,444 f Н ϕм
или
V/f = 4,444×Nϕм
Где N = количество витков на фазу.
ϕm = магнитный поток
Если приложить то же напряжение на пониженной частоте, магнитный поток увеличится и насытит магнитопровод, что значительно исказит работу двигателя.Магнитного насыщения можно избежать, поддерживая постоянным значение ϕm. Кроме того, крутящий момент двигателя переменного тока является произведением магнитного потока статора и тока ротора. Для поддержания номинального крутящего момента на всех скоростях постоянный поток должен поддерживаться на его номинальном значении, что в основном достигается за счет поддержания постоянного отношения напряжения к частоте (V/f). Это требует снижения напряжения двигателя переменного тока в той же пропорции, что и частота, чтобы избежать магнитного насыщения из-за высокого потока или ниже номинального крутящего момента из-за низкого потока.

Как привод переменного тока управляет скоростью двигателя
Поскольку привод переменного тока обеспечивает частоту и выходное напряжение, необходимые для управления скоростью двигателя переменного тока, это осуществляется с помощью ЧРП с ШИМ. ШИМ-приводы производят импульсы различной ширины, которые объединяются для создания необходимой формы сигнала. В некоторых преобразователях используется диодный мост для уменьшения гармоник. Приводы с ШИМ создают форму волны тока, которая более точно соответствует линейному источнику, что снижает нежелательный нагрев. PWM VFD имеют почти постоянный коэффициент мощности на всех скоростях, который близок к единице.Приводы PWM также могут управлять несколькими двигателями на одном частотно-регулируемом приводе.

Таким образом, несущая частота получается из скорости переключателя силового устройства, который остается включенным и выключенным. Ее также называют частотой переключения. Следовательно, чем выше несущая частота, тем выше разрешение для ШИМ. Типичная несущая частота находится в диапазоне от 3 кГц до 4 кГц или от 3000 до 4000 раз в секунду по сравнению с более старой несущей частотой на основе SCR, которая колеблется от 250 до 500 раз в секунду. Таким образом, ясно, что чем выше несущая частота, тем выше будет разрешение формы выходного сигнала.Также отмечается, что несущая частота снижает эффективность частотно-регулируемого привода, поскольку приводит к увеличению нагрева цепи частотно-регулируемого привода.

Преимущества привода переменного тока

  • Большая экономия энергии на более низкой скорости.
  • Увеличенный срок службы вращающихся компонентов за счет более низкой рабочей скорости.
  • Снижен уровень шума и вибрации.
  • Снижение термических и механических нагрузок.
  • Нижняя кВА
  • Высокий коэффициент мощности
Симуляционная схема
Для управления переменной скоростью электрических машин переменного тока несколько переключателей силовой электроники, таких как IGBT, MOSFET и GTO, используют метод принудительной коммутации. Более ранние методы, такие как двигатель постоянного тока и тиристорный мост, которые заменены новыми методами, такими как преобразователи напряжения (VSC), питаются ШИМ от асинхронной машины.Что касается гибкости управления скоростью и крутящим моментом с помощью машины постоянного тока, то же самое может быть достигнуто за счет сочетания метода ШИМ с современными методами управления, такими как метод ориентированного поля (FOT) или методы прямого управления крутящим моментом (DTC). В этом разделе описано моделирование частотно-регулируемого привода, работающего на асинхронной машине.

Библиотека машин для моделирования состоит из четырех наиболее распространенных трехфазных асинхронных машин, синхронных машин с постоянными магнитами, упрощенных и полных синхронных машин.Следующая машина может использоваться как в генераторном, так и в моторном режиме. Эти машины можно использовать для моделирования электромеханических переходных процессов в электрической сети в сочетании с линейными и нелинейными элементами, такими как нагрузки трансформаторной линии, выключатели и т. д. Для моделирования частотно-регулируемых приводов они сочетаются с устройствами силовой электроники. Библиотека моделирования силовой электроники содержит диоды, тиристоры, GTO, MOSFET и IGBT. Эти несколько блоков соединяются друг с другом, образуя трехфазные мосты.

Моделирование 4-полюсного двигателя мощностью 3 л.с. выполнено с приводом переменного тока с использованием метода ШИМ. Частота и амплитуда выходного напряжения изменяются с помощью метода ШИМ, и эти контролируемые напряжение и частота используются для управления скоростью двигателя переменного тока.

Анализ сигналов

Анализируются напряжение, ток, скорость и крутящий момент.

Выполнение анализа гармоник с помощью инструмента БПФ
Во время моделирования основная составляющая напряжения и тока разрешена двумя дискретными блоками Фурье.Таким образом, для наблюдения гармонического компонента нам потребуется дискретный блок Фурье для каждой гармоники. Такой подход не удобен.

Для отображения частотного спектра формы волны тока и напряжения нам требуется инструмент FFT Powergui. С временной переменной, генерируемой блоком осциллографа, сигналы сохраняются в структуре ASM, а сигналы сохраняются в структуре ASM и дискретизируются с фиксированным шагом, который удовлетворяет требованиям инструмента FFT.

Таким образом, Powergui открывается и выбирается анализ БПФ.Открывается новое окно. Параметры анализируемого сигнала, временного окна и частотного диапазона устанавливаются следующим образом:

Структура КАК М
Вход Ваб
Номер сигнала 1
Время начала 0.7 с
Количество циклов 2
Основная частота 60 Гц
Максимальная частота 5000 Гц
Ось частоты Гармонический порядок
Стиль отображения Бар (относительно Fund или DC)
Таблица 1: Параметры БПФ, представленные в блоке powergui

. При выборе параметра «Отображение» отображается анализируемый сигнал.В нижнем окне отображается частотный спектр.

БПФ-анализ межфазного напряжения двигателя
Поскольку дополнение основной гармоники и полное гармоническое искажение (THD) Vab отображается в окне спектра, величина основной гармоники напряжения привода переменного тока составляет (312 В), что по сравнению с теоретическим значением (311 В для m = 0,4).

Результат
Результат моделирования рассчитывается для 4-полюсного двигателя переменного тока мощностью 3 л.с. и анализа гармоник с использованием инструмента БПФ для моделирования максимальной частоты 5000 Гц.

Основная частота Скорость (об/мин) Порядок гармоник THD напряжения THD тока
80 2400 62,5 (четное) 106,25% 30.49%
75 2250 66,66 (четное) 81,86% 19,65%
70 2100 71,42 (нечетное) 67,89% 14.91%
65 1950 г. 76,92 (четное) 55,46% 12,20%
60 1800 83,33 (нечетное) 78,59% 11.46%
55 1650 90,90 (четное) 55,85% 18,72%
50 1500 100 (четное) 76,85% 32.86%
45 1350 111,11 (нечетное) 126,29% 37,35%
Таблица 2: Анализ данных частоты

Очевидно, что уровень THD (V) увеличивается по мере увеличения значения основной частоты от 70 Гц, а также уменьшения основной частоты до 45 Гц или ниже.Таким образом, диапазон изменений основной частоты должен находиться в пределах от 70 до 45 Гц. Также видно, что значения THD (V) в случае 70 Гц, 60 Гц и 45 Гц довольно высоки по сравнению с другими частотами, присутствующими между ними, это связано с наличием нечетных гармоник на этих частотах, поскольку мы знаем, что Нечетные гармоники более вредны для распространения искажений в цепи, чем ЧЕТНЫЕ гармоники. Поскольку максимальная частота установлена ​​как 5000 Гц, можно легко рассчитать порядок гармоник.Таким образом, потребление электроэнергии зависит от требований нагрузки. Однако изменение частоты приводит к гармоническим искажениям, которые можно уменьшить с помощью нескольких методов подавления гармоник.

Отклонение THD между основными частотами постоянно меняется, поэтому существует отклонение для искажения, которое приводит к расчету экономии энергии, а также к управлению скоростью двигателя переменного тока. Дальнейшее внедрение методов фильтрации может привести к снижению уровня гармоник в цепи.В принципе применение Band Pass Active Filter вполне подходит для подавления гармоник на этом уровне. Его можно представить как будущую исследовательскую работу данной статьи.

Заключение
Таким образом, из анализа таблицы видно, что изменение частоты приводит к изменению гармоник в машине также по мере того, как скорость уменьшается, общее гармоническое искажение в напряжении, а также в токе увеличивается, а THD в напряжении ниже, чем THD в токе. Следует также отметить, что слишком большое изменение частоты также приводит к увеличению напряжения THD, а также уровней тока THD.Таким образом, частотно-регулируемый привод может заставить двигатель переменного тока работать с переменной скоростью, а также экономить энергию.

Для обеспечения высокой производительности частотно-регулируемого привода для максимальной производительности процесса всегда требовалось комплексное инженерное решение. Однако быстрое усовершенствование технологии управления переменным током в сочетании с доступностью стандартной фиксированной частоты двигателя переменного тока увеличило число возможных решений. С помощью процесса ШИМ частота, подаваемая на двигатель переменного тока, может быть установлена ​​для управления скоростью двигателя переменного тока.Таким образом, потребление электроэнергии зависит от требований нагрузки. Однако изменение частоты приводит к гармоническим искажениям, которые можно уменьшить с помощью нескольких методов подавления гармоник.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.