Двигатель переменного тока представляет собой электродвигатель с приводом от переменного тока (AC). Двигатель переменного тока обычно состоит из двух основных частей: внешнего статора с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля , и внутреннего ротора, присоединенного к выходному валу, создающего второе вращающееся магнитное поле. Магнитное поле ротора может создаваться постоянными магнитами, реактивным сопротивлением или электрическими обмотками постоянного или переменного тока.
Менее распространенные линейные двигатели переменного тока работают по тем же принципам, что и вращающиеся двигатели, но их неподвижные и движущиеся части расположены по прямой линии, производя линейное движение вместо вращения.
Принципы работы [ править ]
Двумя основными типами двигателей переменного тока являются асинхронные двигатели и синхронные двигатели. Асинхронный двигатель (или асинхронный двигатель) всегда опирается на небольшую разницу в скорости между статором вращающегося магнитного поля и скорости вала ротора под названием скольжения , чтобы вызвать ток ротора в роторе переменного тока обмотки. В результате асинхронный двигатель не может создавать крутящий момент, близкий к синхронной скорости, когда индукция (или скольжение) не имеет значения или перестает существовать. В отличие от этого, синхронный двигатель не полагается на индукцию скольжения для работы и использует либо постоянные магниты, явные полюса (с выступающими магнитными полюсами), либо обмотку ротора с независимым возбуждением. Синхронный двигатель вырабатывает свой номинальный крутящий момент с точно синхронной скоростью. ВСистема синхронного двигателя с бесщеточным ротором и двойным питанием имеет обмотку ротора с независимым возбуждением, которая не основана на принципах скольжения-индукции тока. Бесщеточный электродвигатель с двойным питанием с фазным ротором - это синхронный электродвигатель, который может работать точно при частоте питания или сверх кратной частоты питания.
Другие типы двигателей включают вихретоковые двигатели и машины с механической коммутацией переменного и постоянного тока, скорость которых зависит от напряжения и соединения обмоток.
История [ править ]
Технология переменного тока уходит корнями в открытие Майклом Фарадеем и Джозефом Генри 1830–1831 годов, согласно которому изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в цепи . Это открытие обычно приписывают Фарадею, поскольку он первым опубликовал свои открытия. [1]
В 1832 году французский производитель приборов Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii) создал грубую форму переменного тока, когда спроектировал и построил первый генератор переменного тока . Он состоял из вращающегося подковообразного магнита, проходящего через две катушки с намотанной проволокой. [2]
Из-за преимуществ переменного тока в передаче высокого напряжения на большие расстояния, в конце 19 века в США и Европе было много изобретателей, которые пытались разработать работоспособные двигатели переменного тока. [3] Первым, кто придумал вращающееся магнитное поле, был Уолтер Бейли, который 28 июня 1879 года представил Физическому обществу Лондона работающую демонстрацию своего многофазного двигателя с батарейным питанием с помощью коммутатора . [4] Описывая устройство, почти идентичное устройству Бейли, французский инженер-электрик Марсель Депре опубликовал в 1880 году статью, в которой определил принцип вращающегося магнитного поля и двухфазную систему переменного тока, которая его производит. [5]Практически не продемонстрированная конструкция была несовершенной, поскольку один из двух токов «создавался самой машиной». [4] В 1886 году английский инженер Элиху Томсон построил двигатель переменного тока, расширив принцип индукции-отталкивания и свой ваттметр . [6] В 1887 году американский изобретатель Чарльз Шенк Брэдли первым запатентовал двухфазную передачу переменного тока с четырьмя проводами.
«Безкоммутаторные» асинхронные двигатели переменного тока, кажется, независимо изобрели Галилео Феррарис и Никола Тесла . Феррарис продемонстрировал работающую модель своего однофазного асинхронного двигателя в 1885 году, а Тесла построил свой рабочий двухфазный асинхронный двигатель в 1887 году и продемонстрировал его в Американском институте инженеров-электриков в 1888 году [7] [8] [9] (хотя Тесла утверждал, что он задумал вращающееся магнитное поле в 1882 году). [10] В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в Королевской академии наук в Турине, где подробно изложил основы работы двигателя; [11]В том же году Тесла получил патент США на собственный двигатель. [12] Исходя из экспериментов Феррариса, Михаил Доливо-Добровольский представил первый трехфазный асинхронный двигатель в 1890 году, гораздо более функциональную конструкцию, которая стала прототипом, используемым в Европе и США [13] [14] [15] Он также изобрел первый генератор трехфазного трансформатора и, объединив их в первый полный трехфазной системы переменного тока в 1891. [16] конструкция двигателя трехфазный также работал над швейцарским инженером Чарльз Юджин Ланселот Браун , [13] и других трехфазные системы переменного тока были разработаны немецким техником Фридрихом Августом Хазельвандером и шведским инженером.Йонас Венстрём . [17]
Асинхронный двигатель [ править ]
Slip [ править ]
Если бы ротор двигателя с короткозамкнутым ротором работал с истинной синхронной скоростью, магнитный поток в роторе в любом заданном месте ротора не изменился бы, и ток в короткозамкнутом роторе не создавался. По этой причине обычные двигатели с короткозамкнутым ротором работают на несколько десятков оборотов в минуту медленнее синхронной скорости. Поскольку вращающееся поле (или эквивалентное пульсирующее поле) эффективно вращается быстрее, чем ротор, можно сказать, что оно скользит по поверхности ротора. Разница между синхронной скоростью и фактической скоростью называется скольжением , и нагрузка на двигатель увеличивает величину скольжения, поскольку двигатель немного замедляется. Даже при отсутствии нагрузки внутренние механические потери предотвращают нулевое скольжение.
Скорость двигателя переменного тока определяется в первую очередь частотой источника переменного тока и количеством полюсов в обмотке статора в соответствии с соотношением:
куда
- N s = Синхронная скорость, в оборотах в минуту
- F = частота сети переменного тока
- p = количество полюсов на фазную обмотку
Фактическая частота вращения асинхронного двигателя будет меньше этой рассчитанной синхронной скорости на величину, известную как скольжение , которая увеличивается с создаваемым крутящим моментом. Без нагрузки скорость будет очень близка к синхронной. При нагрузке стандартные двигатели имеют скольжение от 2 до 3%, специальные двигатели могут иметь скольжение до 7%, а класс двигателей, известный как моментные двигатели , рассчитан на работу со 100% скольжением (0 об / мин / полный останов).
Скольжение двигателя переменного тока рассчитывается по формуле:
куда
- N r = скорость вращения в оборотах в минуту.
- S = нормализованное скольжение, от 0 до 1.
Например, типичный четырехполюсный двигатель, работающий на частоте 60 Гц, может иметь номинальную мощность на паспортной табличке 1725 об / мин при полной нагрузке, в то время как его расчетная скорость составляет 1800 об / мин. Скорость в этом типе двигателя традиционно изменялась за счет наличия дополнительных наборов катушек или полюсов в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовой электроники означает, что частота источника питания теперь также может быть изменена, чтобы обеспечить более плавное управление скоростью двигателя.
Этот вид ротора является основным оборудованием для индукционных регуляторов , что является исключением использования вращающегося магнитного поля в качестве чисто электрического (не электромеханического) приложения.
Ротор с многофазной клеткой [ править ]
В наиболее распространенных двигателях переменного тока используется ротор с короткозамкнутым ротором , который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Беличья клетка - это вращающаяся тренировочная клетка для домашних животных.. Двигатель получил свое название от формы «обмоток» его ротора - кольца на обоих концах ротора с перемычками, соединяющими кольца, идущие по длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитые между железными пластинами ротора, и обычно видны только концевые кольца. Подавляющее большинство токов ротора будет проходить через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно покрытые лаком. Очень низкие напряжения при очень высоких токах типичны для шин и концевых колец; В высокоэффективных двигателях часто используется литая медь для уменьшения сопротивления ротора.
При работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой. Когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие токи ротора; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы привести ротор почти в синхронизацию с полем статора. Двигатель с короткозамкнутым ротором без нагрузки при номинальной скорости холостого хода будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости ротора с учетом потерь на трение и сопротивление. По мере увеличения механической нагрузки увеличивается и электрическая нагрузка - электрическая нагрузка по своей природе связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.
Вот почему электродвигатель воздуходувки с короткозамкнутым ротором может привести к потускнению домашнего освещения при запуске, но не приглушает свет при запуске, когда его ремень вентилятора (и, следовательно, механическая нагрузка) снят. Кроме того, остановившийся двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, при попытке запуска. Если что-то еще не ограничивает ток (или не отключает его полностью), вероятным результатом является перегрев и разрушение изоляции обмотки.
Практически каждая стиральная машина , посудомоечная машина , отдельный вентилятор , проигрыватель и т. Д. Использует какой-либо вариант двигателя с короткозамкнутым ротором. [ необходима цитата ]
Ротор с многофазной обмоткой [ править ]
Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда требуется регулировка скорости . В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, что и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки соединяют контактные кольца с контроллером, например, с переменным резистором, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя. В некоторых мощных приводах с фазным ротором с регулируемой частотой вращения энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор. При двунаправленном управлении мощностью, намотанный ротор становится активным участником процесса преобразования энергии, при этом конфигурация с двойным питанием намотанный ротор показывает удвоенную удельную мощность.
По сравнению с роторами с короткозамкнутым ротором, двигатели с фазным ротором дороги и требуют технического обслуживания контактных колец и щеток, но они были стандартной формой для управления переменной скоростью до появления компактных силовых электронных устройств. Транзисторные инверторы с частотно-регулируемым приводом теперь могут использоваться для управления скоростью, а двигатели с фазным ротором становятся все реже.
Используются несколько способов запуска многофазного двигателя. Там, где допустимы большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить через линию, подав полное линейное напряжение на клеммы (прямое подключение, прямой ток). Там , где это необходимо , чтобы ограничить начальный пусковой ток (когда двигатель является большим по сравнению с мощностью короткого замыкания на поставку), двигатель запускается при пониженном напряжении с использованием либо индукторы серии, в автотрансформатор , тиристоры, или другие устройства. Иногда используется метод пуска со звезды на треугольник (YΔ), при котором катушки двигателя сначала соединяются звездой для ускорения нагрузки, а затем переключаются на конфигурацию треугольником, когда нагрузка достигает скорости. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке. Транзисторные приводы могут напрямую изменять подаваемое напряжение в зависимости от пусковых характеристик двигателя и нагрузки.
Этот тип двигателя становится все более распространенным в тяговых приложениях, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель [ необходима цитата ] .
Двухфазный серводвигатель [ править ]
Типичный двухфазный серводвигатель переменного тока имеет ротор с короткозамкнутым ротором и поле, состоящее из двух обмоток:
- главная обмотка постоянного напряжения (переменного тока).
- обмотка управляющего напряжения (переменного тока) в квадратуре (т. е. с фазовым сдвигом на 90 градусов) с основной обмоткой, чтобы создавать вращающееся магнитное поле. Фаза реверса заставляет двигатель реверсировать.
Сервоусилитель переменного тока, линейный усилитель мощности, питает обмотку управления. Электрическое сопротивление ротора намеренно повышено, чтобы кривая скорость – крутящий момент была достаточно линейной. Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, которые в значительной степени приспособлены для управления нагрузкой.
Однофазный асинхронный двигатель [ править ]
Однофазные двигатели не имеют уникального вращающегося магнитного поля, как многофазные двигатели. Поле чередуется (меняет полярность) между парами полюсов и может рассматриваться как два поля, вращающихся в противоположных направлениях. Им требуется вторичное магнитное поле, которое заставляет ротор двигаться в определенном направлении. После запуска переменное поле статора вращается относительно ротора. Обычно используются несколько методов:
Двигатель с расщепленными полюсами [ править ]
Обычным однофазным двигателем является двигатель с экранированными полюсами, который используется в устройствах, требующих низкого пускового момента , таких как электрические вентиляторы., небольшие насосы или мелкую бытовую технику. В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса окружена медной катушкой или лентой; наведенный ток в перемычке препятствует изменению потока через катушку. Это вызывает задержку во времени потока, проходящего через затеняющую катушку, так что максимальная напряженность поля перемещается выше через поверхность полюса в каждом цикле. Это создает вращающееся магнитное поле низкого уровня, которое достаточно велико, чтобы вращать как ротор, так и прикрепленную к нему нагрузку. Когда ротор набирает скорость, крутящий момент достигает своего полного уровня, поскольку основное магнитное поле вращается относительно вращающегося ротора.
Обратимый затененный полюсный двигатель был сделан Barber-Колман несколько десятилетий назад. У него была одна катушка возбуждения и два основных полюса, каждый из которых был разделен на половину, чтобы создать две пары полюсов. Каждый из этих четырех «полуполюсников» нес катушку, а катушки диагонально противоположных полуполюсников были подключены к паре выводов. Один вывод каждой пары был общим, поэтому всего требовалось всего три вывода.
Двигатель не запускался с открытыми клеммами; подключение общего к другому заставляло двигатель работать в одну сторону, а подключение общего к другому заставляло его работать в другую сторону. Эти двигатели использовались в промышленных и научных устройствах.
Необычный двигатель с расщепленными полюсами с регулируемой скоростью и низким крутящим моментом можно найти в контроллерах светофора и рекламного освещения. Лица полюсов были параллельны и относительно близко друг к другу, между ними располагался диск, что-то вроде диска в электросчетчике ватт-часов . Каждая поверхность полюса была разделена, и на одной ее части была затеняющая катушка; катушки затенения находились на обращенных друг к другу частях.
Подача переменного тока на катушку создавала поле, которое увеличивалось в промежутке между полюсами. Плоскость сердечника статора была приблизительно касательной к воображаемой окружности на диске, поэтому бегущее магнитное поле тащило диск и заставляло его вращаться.
Статор был установлен на шарнире, чтобы его можно было установить для достижения желаемой скорости, а затем зафиксировать в этом положении. Размещение полюсов ближе к центру диска заставляло его двигаться быстрее, а к краю - медленнее. [ необходима цитата ]
Двухфазный двигатель [ править ]
Другой распространенный двигатель переменного тока однофазного является асинхронным двигателем с расщепленной фазой , [18] , обычно используемой в основных приборах , такие как кондиционеры и сушилки для одежды . По сравнению с двигателями с экранированными полюсами эти двигатели обеспечивают гораздо больший пусковой крутящий момент.
Двухфазный двигатель имеет вторичную пусковую обмотку.то есть под углом 90 электрических градусов к основной обмотке, всегда центрируется непосредственно между полюсами основной обмотки и соединяется с основной обмоткой посредством набора электрических контактов. Катушки этой обмотки намотаны с меньшим количеством витков меньшего провода, чем основная обмотка, поэтому она имеет более низкую индуктивность и более высокое сопротивление. Положение обмотки создает небольшой фазовый сдвиг между потоком основной обмотки и потоком пусковой обмотки, вызывая вращение ротора. Когда скорость двигателя достаточна для преодоления инерции нагрузки, контакты размыкаются автоматически центробежным переключателем или электрическим реле. Направление вращения определяется соединением между основной обмоткой и цепью запуска. В приложениях, где двигателю требуется фиксированное вращение,один конец пусковой цепи постоянно подключен к основной обмотке, а контакты обеспечивают соединение на другом конце.
Конденсаторный пуск двигателя [ править ]
Конденсаторный пусковой двигатель - это асинхронный двигатель с расщепленной фазой, в котором пусковой конденсатор включен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь, которая производит больший фазовый сдвиг (и, следовательно, гораздо больший пусковой крутящий момент), чем как с расщепленной фазой, так и с затененной полюсные двигатели.
Пуск двигателя с сопротивлением [ править ]
Двигатель с резистивным пуском - это асинхронный двигатель с расщепленной фазой, в котором стартер включен последовательно с пусковой обмоткой, создавая реактивное сопротивление. Этот дополнительный стартер обеспечивает поддержку в пусковом и начальном направлении вращения. Пусковая обмотка сделана в основном из тонкой проволоки с меньшим количеством витков, что делает ее более резистивной и менее индуктивной. Основная обмотка сделана из более толстого провода с большим количеством витков, что делает ее менее резистивной и более индуктивной.
Двигатель с постоянным разделением конденсаторов [ править ]
Другой вариант - двигатель с постоянным разделением конденсаторов (или PSC) . [19] Также известный как двигатель с конденсаторным питанием, этот тип двигателя использует неполяризованный конденсатор с высоким номинальным напряжением для создания электрического фазового сдвига между рабочей и пусковой обмотками. Двигатели PSC являются доминирующим типом двигателей с расщепленной фазой в Европе и большей части мира, но в Северной Америке они наиболее часто используются в приложениях с переменным крутящим моментом (например, нагнетатели, вентиляторы и насосы) и в других случаях, когда требуются регулируемые скорости. .
Конденсатор с относительно низкой емкостью и относительно высоким номинальным напряжением подключается последовательно с пусковой обмоткой и остается в цепи в течение всего рабочего цикла. [19]Как и в других двигателях с расщепленной фазой, основная обмотка используется с пусковой обмоткой меньшего размера, а вращение изменяется путем реверсирования соединения между основной обмоткой и пусковой цепью или переключением полярности основной обмотки, когда пусковая обмотка всегда подключена к конденсатор. Однако есть существенные различия; Использование центробежного переключателя, чувствительного к скорости, требует, чтобы другие двигатели с расщепленной фазой работали на полной скорости или очень близко к ней. Двигатели PSC могут работать в широком диапазоне скоростей, намного ниже, чем электрическая скорость двигателя. Кроме того, для таких применений, как автоматические открыватели дверей, которые требуют частого реверсирования вращения двигателя, использование механизма требует, чтобы двигатель замедлился до почти полной остановки, прежде чем контакт с пусковой обмоткой будет восстановлен. "Постоянный"подключение к конденсатору в двигателе PSC означает, что изменение вращения происходит мгновенно.
Трехфазные двигатели можно преобразовать в двигатели PSC, сделав две общие обмотки и подключив третью через конденсатор, который будет действовать как пусковая обмотка. Однако номинальная мощность должна быть как минимум на 50% больше, чем у сопоставимого однофазного двигателя из-за неиспользуемой обмотки. [20]
Синхронный двигатель [ править ]
Многофазный синхронный двигатель [ править ]
Если соединения с катушками ротора трехфазного двигателя сняты на контактных кольцах и пропустить отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), результат называется синхронным двигателем. потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания. Другая система синхронного двигателя - это бесщеточная система синхронного двигателя с двойным питанием и ротором с независимым возбуждением, многофазная обмотка переменного тока, которая может испытывать индукцию скольжения за пределами синхронных скоростей, но, как и все синхронные двигатели, не полагается на индукцию скольжения для создания крутящего момента.
Синхронный двигатель также можно использовать в качестве генератора переменного тока .
Современные синхронные двигатели часто приводятся в действие твердотельными частотно-регулируемыми приводами . Это значительно упрощает проблему запуска массивного ротора большого синхронного двигателя. Они также могут запускаться как асинхронные двигатели с использованием обмотки с короткозамкнутым ротором, которая имеет общий ротор: как только двигатель достигает синхронной скорости, в обмотке с короткозамкнутым ротором не индуцируется ток, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя. помимо стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.
Синхронные двигатели иногда используются в качестве тяговых двигателей ; TGV может быть самым известным примером такого использования.
Огромное количество трехфазных синхронных двигателей теперь устанавливают на электромобили. У них есть неодимовый или другой редкоземельный постоянный магнит .
Одним из применений этого типа двигателя является его использование в схеме коррекции коэффициента мощности. Их называют синхронными конденсаторами . Это использует особенность машины, в которой она потребляет мощность с ведущим коэффициентом мощности, когда ее ротор чрезмерно возбужден. Таким образом, источник питания воспринимает его как конденсатор и, таким образом, может использоваться для корректировки коэффициента мощности с запаздыванием, который обычно передается источнику электроэнергии индуктивными нагрузками. Возбуждение регулируется до достижения коэффициента мощности, близкого к единице (часто автоматически). Машины, используемые для этой цели, легко идентифицировать, поскольку у них нет валов. В любом случае синхронные двигатели ценятся, потому что их коэффициент мощности намного лучше, чем у асинхронных двигателей, что делает их предпочтительными для приложений с очень большой мощностью.
Некоторые из самых крупных двигателей переменного тока представляют собой гидроаккумулирующие генераторы, которые работают как синхронные двигатели для перекачивания воды в резервуар на более высоком уровне для последующего использования для выработки электроэнергии с использованием того же оборудования. Шесть генераторов мощностью 500 мегаватт установлены на гидроаккумулирующей станции округа Бат в Вирджинии, США. При перекачке каждый агрегат может производить 642800 лошадиных сил (479,3 мегаватт). [21] .
Однофазный синхронный двигатель [ править ]
Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут быть спроектированы с намагниченными роторами (или несколькими вариантами этой идеи; см. «Гистерезисные синхронные двигатели» ниже).
Если на обычном роторе с короткозамкнутым ротором есть плоские поверхности для создания выступающих полюсов и увеличения сопротивления, он будет запускаться обычным образом, но будет работать синхронно, хотя он может обеспечить лишь умеренный крутящий момент при синхронной скорости. Это называется реактивным двигателем .
Потому что инерциязатрудняет мгновенный разгон ротора с остановленной до синхронной скорости, этим двигателям обычно требуется какая-то специальная функция для запуска. Некоторые из них имеют структуру с короткозамкнутым ротором, чтобы ротор приближался к синхронной скорости. В различных других конструкциях используется небольшой асинхронный двигатель (который может использовать те же катушки возбуждения и ротор, что и синхронный двигатель) или очень легкий ротор с односторонним механизмом (чтобы гарантировать, что ротор запускается в «прямом» направлении). В последнем случае подача переменного тока создает хаотические (или кажущиеся хаотическими) прыжки вперед и назад; такой двигатель всегда запускается, но без механизма предотвращения реверсирования направление его движения непредсказуемо. В тоногенераторе органа Хаммонда использовался синхронный двигатель без самозапуска (до сравнительно недавнего времени),и имел обычный вспомогательный пусковой двигатель с расщепленными полюсами. Подпружиненный вспомогательный ручной пусковой выключатель подключал питание ко второму двигателю на несколько секунд.
Гистерезисный синхронный двигатель [ править ]
Эти двигатели относительно дороги и используются там, где важны точная скорость (при условии наличия источника переменного тока с точной частотой) и вращение с малым флаттером (высокочастотное изменение скорости). Применения включали приводы ведущего магнитофона (вал двигателя мог быть ведущим), и, до появления управления кристаллами, кинокамеры и записывающие устройства. Их отличительной особенностью является их ротор, который представляет собой гладкий цилиндр из магнитного сплава, который остается намагниченным, но может быть довольно легко размагничен, а также повторно намагничен полюсами в новом месте. Гистерезис относится к тому, как магнитный поток в металле отстает от внешней силы намагничивания; например, чтобы размагнитить такой материал, можно приложить намагничивающее поле противоположной полярности к тому, которое первоначально намагничивало материал.Эти двигатели имеют статор, как и у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, работающим от конденсатора. При запуске, когда скольжение значительно уменьшается, ротор намагничивается полем статора, и полюса остаются на своих местах. Затем двигатель работает с синхронной скоростью, как если бы ротор был постоянным магнитом. При остановке и перезапуске полюса могут образовываться в разных местах. Для данной конструкции крутящий момент при синхронной скорости относительно невелик, и двигатель может работать со скоростью ниже синхронной. Проще говоря, это отставание магнитного поля от магнитного потока.При остановке и перезапуске полюса могут образовываться в разных местах. Для данной конструкции крутящий момент при синхронной скорости относительно невелик, и двигатель может работать со скоростью ниже синхронной. Проще говоря, это отставание магнитного поля от магнитного потока.При остановке и перезапуске полюса могут образовываться в разных местах. Для данной конструкции крутящий момент при синхронной скорости относительно невелик, и двигатель может работать со скоростью ниже синхронной. Проще говоря, это отставание магнитного поля от магнитного потока.
Другие типы двигателей переменного тока [ править ]
Универсальный двигатель и двигатель с серийным заводом [ править ]
Универсальный двигатель - это конструкция, которая может работать как от переменного, так и от постоянного тока. В универсальных двигателях статор и ротор щеточного двигателя постоянного тока намотаны и запитаны от внешнего источника, при этом крутящий момент является функцией тока ротора, умноженного на ток статора, поэтому изменение направления тока как в роторе, так и в статоре не приводит к обратному вращению. . Универсальные двигатели могут работать как на переменном, так и на постоянном токе, при условии, что частота не настолько высока, что индуктивное сопротивление обмотки статора и потери на вихревые токи становятся проблемой. Почти все универсальные двигатели имеют последовательную обмотку, поскольку их статоры имеют относительно мало оборотов, что снижает индуктивность. Универсальные двигатели компактны, имеют высокий пусковой момент и могут изменять скорость в широком диапазоне с помощью относительно простых средств управления, таких какреостаты и прерыватели ШИМ . По сравнению с асинхронными двигателями универсальные двигатели имеют некоторые недостатки, присущие их щеткам и коммутаторам: относительно высокий уровень электрического и акустического шума, низкая надежность и более частое требуемое техническое обслуживание.
Универсальные моторы широко используются в мелкой бытовой технике и ручных электроинструментах. До 1970-х годов они доминировали на электротяге (электрическая, в том числе дизель-электрическая железнодорожная и автомобильная); многие тяговые электрические сети до сих пор используют специальные низкие частоты, такие как 16,7 и 25 Гц, для преодоления вышеупомянутых проблем с потерями и реактивным сопротивлением. Все еще широко используемые универсальные тяговые двигатели все чаще вытесняются многофазными асинхронными двигателями переменного тока и двигателями с постоянными магнитами с частотно-регулируемыми приводами, что стало возможным благодаря современным силовым полупроводниковым устройствам .
Отталкивающий двигатель [ править ]
Отталкивающие двигатели - это однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, которые представляют собой тип асинхронного двигателя. В отталкивающем двигателе щетки якоря закорочены вместе, а не включены последовательно с полем, как это делается в универсальных двигателях. Под действием трансформатора статор индуцирует токи в роторе, которые создают крутящий момент за счет отталкивания, а не притяжения, как в других двигателях. Было изготовлено несколько типов отталкивающих двигателей, но наиболее часто использовался асинхронный двигатель с отталкивающим пуском (RS-IR). Двигатель RS-IR имеет центробежный переключатель, который замыкает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный, когда он приближается к полной скорости. Некоторые из этих двигателей также поднимают щетки вне контакта с регулировкой напряжения источника.. Отталкивающие двигатели были разработаны до того, как появились подходящие пусковые конденсаторы для двигателей, и по состоянию на 2005 год было продано лишь несколько двигателей.
Внешний ротор [ править ]
Там, где важна стабильность скорости, некоторые двигатели переменного тока (например, некоторые двигатели Papst ) имеют статор внутри и ротор снаружи для оптимизации инерции и охлаждения.
Двигатель с скользящим ротором [ править ]
Тормозной двигатель с коническим ротором включает в себя тормоз как неотъемлемую часть конического скользящего ротора. Когда двигатель находится в состоянии покоя, пружина воздействует на скользящий ротор и прижимает тормозное кольцо к тормозной крышке в двигателе, удерживая ротор в неподвижном состоянии. Когда двигатель находится под напряжением, его магнитное поле создает как осевую, так и радиальную составляющую. Осевой компонент преодолевает силу пружины, освобождая тормоз; в то время как радиальный компонент заставляет ротор вращаться. Дополнительного управления тормозом не требуется.
Высокий пусковой момент и низкая инерция двигателя с тормозом с коническим ротором оказались идеальными для требований многоцикловых динамических приводов в приложениях, так как двигатель был изобретен, спроектирован и введен в эксплуатацию более 50 лет назад. Этот тип конфигурации двигателя был впервые представлен в США в 1963 году.
Односкоростные или двухскоростные двигатели предназначены для соединения с редукторами системы мотор-редукторов. Двигатели с тормозом с коническим ротором также используются для привода микроскоростных приводов.
Двигатели этого типа также можно встретить на мостовых кранах и подъемниках . Микроскоростной агрегат объединяет два двигателя и промежуточный редуктор. Они используются в приложениях, где требуется максимальная точность механического позиционирования и высокая циклическая способность. Микроскоростной блок сочетает в себе «главный» двигатель с тормозом с коническим ротором для быстрой скорости и двигатель с тормозом с «микро» коническим ротором для медленной скорости или скорости позиционирования. Промежуточная коробка передач позволяет использовать различные передаточные числа, а двигатели с разными скоростями можно комбинировать для получения высоких передаточных чисел между высокой и низкой скоростью.
Двигатель с электронной коммутацией [ править ]
Электродвигатели с электронной коммутацией (ЕС) - это электродвигатели, работающие от электричества постоянного тока (DC) и имеющие электронные системы коммутации, а не механические коммутаторы и щетки . Отношения тока к крутящему моменту и частоты к скорости двигателей BLDC линейны. В то время как катушки двигателя питаются от постоянного тока, питание может выпрямляться от переменного тока внутри корпуса.
Мотор-ваттметр [ править ]
Это двухфазные асинхронные двигатели с постоянными магнитами для замедления ротора, поэтому его скорость точно пропорциональна мощности, проходящей через счетчик. Ротор представляет собой диск из алюминиевого сплава, и индуцируемые в нем токи реагируют с полем статора.
Сплит-фазы watthour счетчик электроэнергииимеет статор с тремя катушками, обращенными к диску. Магнитопровод завершается С-образным сердечником из проницаемого железа. Катушка «напряжения» над диском включена параллельно источнику питания; его много витков имеют высокое отношение индуктивности / сопротивления (Q), поэтому его ток и магнитное поле являются интегралом по времени приложенного напряжения, отставая от него на 90 градусов. Это магнитное поле проходит через диск перпендикулярно вниз, вызывая круговые вихревые токи в плоскости диска с центром в поле. Эти индуцированные токи пропорциональны производной магнитного поля по времени, опережая ее на 90 градусов. Это помещает вихревые токи в фазу с напряжением, приложенным к катушке напряжения, точно так же, как ток, индуцируемый во вторичной обмотке трансформатора с резистивной нагрузкой, находится в фазе с напряжением, приложенным к его первичной обмотке.
Вихревые токи проходят непосредственно над полюсными наконечниками двух «токовых» катушек под диском, каждая из которых намотана несколькими витками толстого провода, индуктивное реактивное сопротивление которого мало по сравнению с импедансом нагрузки. Эти катушки подключают питание к нагрузке, создавая магнитное поле, синфазное с током нагрузки. Это поле проходит от полюса одной токовой катушки вверх перпендикулярно через диск и обратно вниз через диск к полюсу другой токовой катушки с завершенной магнитной цепью обратно к первой токовой катушке. Когда эти поля пересекают диск, они проходят через вихревые токи, индуцируемые в нем катушкой напряжения, создающей силу Лоренца.на диске взаимно перпендикулярны обоим. Предполагая, что мощность течет к нагрузке, поток от левой токовой катушки пересекает диск вверх, где вихревой ток течет радиально к центру диска, создавая (по правилу правой руки ) крутящий момент, приводящий переднюю часть диска к верно. Точно так же поток проходит вниз через диск к правой катушке тока, где вихревой ток течет радиально от центра диска, снова создавая крутящий момент, перемещающий переднюю часть диска вправо. Когда полярность переменного тока меняется, вихревые токи в диске и направление магнитного потока от токовых катушек изменяются, оставляя направление крутящего момента неизменным.
Таким образом, крутящий момент пропорционален мгновенному напряжению в сети, умноженному на мгновенный ток нагрузки, с автоматической поправкой на коэффициент мощности. Диск тормозится постоянным магнитом, так что скорость пропорциональна крутящему моменту, а диск механически интегрирует реальную мощность. Механическая шкала на измерителе считывает количество оборотов диска и общую полезную энергию, переданную нагрузке. (Если нагрузка подает питание в сеть, диск вращается в обратном направлении, если ему не препятствует храповой механизм, что делает возможным чистое измерение .)
В счетчике мощности с разделением фаз катушка напряжения подключена между двумя «горячими» (линейными) клеммами (240 В в Северной Америке [ необходима цитата ] ), а две отдельные катушки тока подключены между соответствующей линией и клеммами нагрузки. Подключение к нейтрали системы не требуется для правильного управления комбинированными линейными и линейными нагрузками. Линейные нагрузки потребляют один и тот же ток через обе токовые катушки и вращают измеритель в два раза быстрее, чем нагрузка между фазами и нейтралью, потребляя тот же ток только через одну токовую катушку, правильно регистрируя мощность, потребляемую линейным током -линейная нагрузка в два раза больше, чем линейная нагрузка.
Другие варианты той же конструкции используются для многофазного (например, трехфазного ) питания.
Медленно-синхронный синхронный двигатель [ править ]
Типичным примером являются синхронные двигатели с низким крутящим моментом с многополюсным полым цилиндрическим магнитом (внутренними полюсами), окружающим конструкцию статора. Алюминиевая чашка поддерживает магнит. Статор имеет одну катушку, соосную с валом. На каждом конце катушки есть пара круглых пластин с прямоугольными зубцами на краях, параллельных валу. Это полюса статора. Один из пар дисков напрямую распределяет поток катушки, а другой принимает поток, прошедший через общую затеняющую катушку. Полюса довольно узкие, и между полюсами, идущими с одного конца катушки, находится идентичный набор, идущий с другого конца. В целом, это создает повторяющуюся последовательность четырех полюсов, незатененных, чередующихся с затененными, что создает круговое бегущее поле, к которому ротор 's магнитные полюса быстро синхронизируются. Некоторые шаговые двигатели имеют аналогичную конструкцию.
Ссылки [ править ]
- ^ Ари Бен-Менахем (2009). Историческая энциклопедия естественных и математических наук . Springer Science & Business Media. п. 2640. ISBN 978-3-540-68831-0. Архивировано 3 декабря 2016 года.
- ^ Мэтью М. Радманеш Ph.D. (2005). Путь к пониманию: электроны к волнам и за его пределы . АвторДом. п. 296. ISBN. 978-1-4184-8740-9.
- ^ Джилл Джоннес (2003). Империи света: Эдисон, Тесла, Вестингауз и гонка за электричество мира . Издательская группа Random House. п. 162. ISBN. 978-1-58836-000-7.
- ^ а б Марк Дж. Сейфер (1996). Волшебник: жизнь и времена Николы Теслы: биография гения . Цитадель Пресс. п. 24. ISBN 978-0-8065-1960-9.
- ^ Сильванус Филлипс Томпсон (1895). Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока . Spon. п. 87 .
- Перейти ↑ W. Bernard Carlson (2003). Инновации как социальный процесс: Элиху Томсон и рост General Electric . Издательство Кембриджского университета. п. 258. ISBN 978-0-521-53312-6.
- ^ Фриц Э. Фрёлих; Аллен Кент (1998). Энциклопедия телекоммуникаций Фрёлиха / Кента: Том 17 - Телевизионные технологии . CRC Press. п. 36. ISBN 978-0-8247-2915-8.
- ^ Инженер-электрик. (1888). Лондон: Biggs & Co. Pg., 239. [ср., «[...] новое применение переменного тока для создания вращательного движения было заявлено почти одновременно двумя экспериментаторами, Никола Тесла и Галилео Феррарис, и тема привлекла всеобщее внимание тем фактом, что не требовалось никакого коммутатора или какого-либо соединения с арматурой ».]
- ^ Галилео Феррарис, "Электромагнитное вращение с переменным током", Электрик, Том 36 [1885]. стр. 360-75.
- ^ Блудный гений: жизнь Николы Теслы . Стр.115
- ↑ «Двухфазный индукционный двигатель». Архивировано 18ноября 2012 г.в Wayback Machine (2011), Материалы дела: Никола Тесла , Институт Франклина.
- ^ Лэнс Дэй; Ян Макнил (2003). Биографический словарь истории техники . Тейлор и Фрэнсис. п. 1204. ISBN 978-0-203-02829-2.
- ^ а б Арнольд Хертье , Марк Перлман Арнольд Хертье; Марк Перлман (1990). Развитие технологий и структуры рынка: исследования по шумпетерианской экономике . Пресса Мичиганского университета. п. 138. ISBN 0-472-10192-7. Архивировано 05 мая 2018 года.
- ^ Victor Giurgiutiu; Сергей Эдуард Лышевский (2003). Микромехатроника: моделирование, анализ и проектирование с MATLAB (второе изд.). Тейлор и Фрэнсис. п. 141. ISBN. 978-0-203-50371-3. Архивировано 05 мая 2018 года.
- ^ MW Хаббел (2011). Основы атомной энергетики: вопросы и ответы . Авторский Дом. п. 27. ISBN 978-1-4634-2658-3.
- ^ Центр, Copyright 2014 Edison Tech. «История трансформеров» . edisontechcenter.org . Архивировано 14 октября 2017 года . Дата обращения 5 мая 2018 .
- ^ Neidhöfer, Gerhard (2007). «Раннее трехфазное питание (история)». Журнал IEEE Power and Energy . IEEE Power & Energy Society . 5 (5): 88–100. DOI : 10.1109 / MPE.2007.904752 . ISSN 1540-7977 .
- ^ Раздел «Асинхронные двигатели с расщепленной фазой» в модуле 5 Neets: Введение в генераторы и двигатели. Архивировано 20 декабря 2010 г. на WebCite.
- ^ a b Джордж Шульц, Джордж Патрик Шульц (1997). Трансформаторы и моторы . Newnes . п. 159. ISBN. 978-0-7506-9948-8. Проверено 26 сентября 2008 .
- ^ "Архивная копия" . Архивировано 23 мая 2013 года . Проверено 1 сентября 2013 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ "Насосная станция хранения округа Бат" . Dominion Resources, Inc . 2007. Архивировано из оригинала 4 апреля 2007 года . Проверено 30 марта 2007 .
Внешние ссылки [ править ]
- Сильванус Филлипс Томпсон: Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока
- Univ.Prof. Доктор Инг. Мартин Доппельбауэр: изобретение электродвигателя, Технологический институт Карлсруэ - KIT
- Галилео Феррарис - «Отец трехфазного тока» - Электротехнический конгресс, Франкфурт 1891, Кто изобрел многофазный электродвигатель?
 | Викискладе есть медиафайлы по теме двигателей переменного тока . |
- Короткометражный фильм «ДВИГАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА» (1961) доступен для бесплатного скачивания в Интернет-архиве.
- Короткометражный фильм AC MOTORS (1969) доступен для бесплатного скачивания в Интернет-архиве.
