Маломощный двигатель переменного тока

Электроника для всех

Блог о электронике

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.

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.

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.

Смотрите так же:  Повторное заземление нулевого провода вл 04 кв

▌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.

Маломощные асинхронные двигатели переменного тока Groschopp

Предлагаем широкий ассортимент маломощных электродвигателей переменного тока от американского производителя марки Groschopp, однофазное или трехфазное исполнение, совместимость с частотно-регулируемыми приводами (VFD). Оригинальные конструкторские решения для специализированных промышленных установок. Высококачественные материалы, максимально компактный и эффективный дизайн.

Круглый корпус двигателя выполнен из алюминия с прочным порошковым покрытием поверхности, боковые квадратные фланцы из литого алюминия, установлены шариковые подшипники. Изоляционные материалы температурного класса «H» (до 180 °С). Брызгозащищенное исполнение.

Выбор электродвигателя для промышленных применений

При выборе электродвигателя следует учитывать множество факторов, в том числе целевое назначение, требующиеся эксплуатационные и механические характеристики, а также предполагаемые внешние воздействия. Возможные варианты таковы: электродвигатель переменного тока, электродвигатель постоянного тока (рис. 1) или серводвигатель (шаговый электродвигатель). Конечный выбор в основном зависит от того, для какого промышленного изделия подбирается электродвигатель, и от наличия особых потребностей.

Рис. 1. Электродвигатели постоянного тока хорошо подходят для применения в изделиях с невысокой стоимостью, низкой частотой вращения ротора или постоянным крутящим моментом — например, таких, как этот ленточный транспортер

В зависимости от характера нагрузки это может быть электродвигатель с постоянной или переменной частотой вращения и мощностью. Крутящий момент и мощность определяются величиной нагрузки, необходимой частотой вращения, а также разгоном и торможением (особенно если они быстрые и/или частые). Кроме того, следует учитывать требования к регулированию частоты вращения и управлению положением ротора.

Типы нагрузок электродвигателей

Существует четыре типа нагрузок электродвигателей промышленной автоматики:

  • переменная мощность и постоянный крутящий момент;
  • переменный крутящий момент и постоянная мощность;
  • переменные мощность и крутящий момент;
  • управление положением ротора или регулирование крутящего момента.

К изделиям с переменной мощностью и постоянным крутящим моментом относятся транспортеры, краны и редукторные насосы. Крутящий момент у них постоянен, так как нагрузка не меняется. Требующаяся мощность может различаться в зависимости от типа изделия, поэтому хорошим выбором в этом случае будут электродвигатели постоянного тока с постоянной частотой вращения ротора.

Пример изделия с переменным крутящим моментом и постоянной мощностью — станок для перемотки бумаги. Скорость подачи материала постоянна, поэтому мощность не меняется. Нагрузка, однако, меняется по мере увеличения диаметра рулона. Для небольших систем такого рода хорошо подойдут электродвигатели постоянного тока или серводвигатели. Другой важный фактор в этом случае — энергия рекуперации, которую следует учитывать при выборе размера электродвигателя или метода регулирования мощности. В более крупных системах, возможно, целесообразнее будет использовать электродвигатели переменного тока с датчиками перемещений, регулирование с обратной связью и приводы, работающие в четырех квадрантах.

Для вентиляторов, центробежных насосов и мешалок требуются переменные мощность и крутящий момент. С увеличением частоты вращения ротора электродвигателя растет и мощность на нагрузке, а с нею требующиеся номинальная мощность и крутящий момент. При нагрузках такого типа начинает играть важную роль КПД двигателя. В подобных изделиях применяются электродвигатели переменного тока с инверторным управлением и частотно-регулируемые приводы.

В линейных приводах, которые должны обеспечивать точное перемещение во множество положений, требуется управление положением или регулирование крутящего момента ротора с малой погрешностью, а зачастую и обратная связь для проверки правильности положения. Для этих целей лучше всего подходят серводвигатели и шаговые двигатели, но наряду с ними часто применяются электродвигатели постоянного тока с обратной связью или электродвигатели переменного тока с инверторным управлением и датчиком перемещения, которые позволяют с малой погрешностью регулировать крутящий момент на металлургических и бумагоделательных линиях, а также в других аналогичных применениях.

Типы электродвигателей

Электродвигатели бывают двух основных разновидностей — переменного и постоянного тока, но они, в свою очередь, разделяются более чем на три десятка типов.

Несмотря на большое разнообразие, промышленные применения электродвигателей имеют между собой много общего, и под влиянием рыночных механизмов практический ассортимент типов электродвигателей в большинстве применений сузился. Шесть наиболее распространенных типов электродвигателей, которые можно использовать в подавляющем большинстве изделий, — это бесколлекторные и коллекторные электродвигатели постоянного тока, электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым и фазным ротором, серводвигатели и шаговые электродвигатели. Прочие типы электродвигателей применяются только в изделиях специального назначения.

Три основных типа изделий по режиму работы электродвигателя

Три основных типа изделий по режиму работы электродвигателя — это изделия с постоянной частотой вращения, переменной частотой вращения и управлением положением (или регулированием крутящего момента) ротора. В различных изделиях промышленной автоматики требуются разные режимы, и набор вопросов, на который приходится отвечать при выборе электродвигателя, может также различаться (рис. 2).

Рис. 2. Асинхронные электродвигатели переменного тока часто выбирают для промышленных машин с вращательным движением рабочего органа

Например, если требующаяся максимальная частота вращения ротора меньше номинальной, может понадобиться редуктор. Возможно, для этой цели удастся подобрать более компактный электродвигатель, частота вращения ротора которого будет обеспечивать более высокий КПД. В Интернете есть большое количество информации о том, как выбирать электродвигатель по размеру, но пользователям необходимо принимать во внимание и другие факторы. Для расчета момента инерции нагрузки, крутящего момента и частоты вращения ротора требуется знать такие параметры, как полная масса и размер (радиус) нагрузки, а также коэффициент трения, потери на редукторе и цикл работы машины. Кроме того, во избежание перегрева электродвигателя необходимо учитывать изменение нагрузки, темп разгона или торможения и рабочий цикл изделия.

Определившись с типом и размером электродвигателя, пользователю нужно также учесть влияние внешних факторов и выбрать исполнение — например, открытое или в кожухе из нержавеющей стали для работы во влажной среде.

Выбор электродвигателя: три вопроса

Даже после того, как все эти решения приняты, пользователю необходимо ответить на следующие три вопроса, прежде чем сделать окончательный выбор.

Требуется ли постоянная частота вращения ротора?

В изделиях с постоянной частотой вращения ротора электродвигатель часто работает на приблизительно установленной частоте, а характеристики разгона и торможения роли практически не играют. В этом случае обычно применяется релейное управление с питанием непосредственно от сети. Цепи управления часто состоят из ответвления с предохранителем и контактором, устройства защиты от перегрузки при пуске и ручного регулятора электродвигателя или устройства плавного пуска.

Смотрите так же:  Устройство телефонного провода

Для изделий с постоянной частотой вращения ротора подходят электродвигатели переменного и постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока обеспечивают номинальный крутящий момент при нулевой частоте вращения; этот тип электродвигателей очень популярен. Электродвигатели переменного тока — тоже хороший выбор, так как они характеризуются высоким коэффициентом мощности и нетребовательны в обслуживании. Серво­двигатель или шаговый двигатель с высокими эксплуатационными характеристиками был бы излишним для простого изделия.

Требуется ли переменная частота вращения ротора?

Изделия с переменной частотой вращения ротора обычно требуют изменения линейной скорости и частоты вращения с малой погрешностью, а также четко определенных характеристик разгона и ускорения. Уменьшение частоты вращения ротора в таких изделиях, как вентиляторы и центробежные насосы, часто позволяет повысить КПД за счет согласования мощности с нагрузкой вместо работы на максимальной частоте с пропорциональным регулированием или демпфированием. Это важно для конвейерных систем, например линий бутылочного розлива.

Электродвигатели как переменного, так и постоянного тока с приводами соответствующего типа эффективно работают в изделиях с переменной частотой вращения ротора. На протяжении длительного времени привод с электродвигателем постоянного тока был единственным вариантом для изделий с переменной частотой вращения ротора, и компоненты для этой комбинации хорошо отработаны и проверены временем. Даже сейчас электродвигатели постоянного тока широко применяются в маломощных (менее 1 л. с.) изделиях этого типа, а также оказываются полезными в изделиях с низкой частотой вращения ротора, так как обеспечивают номинальный крутящий момент на низкой частоте вращения и постоянный крутящий момент в широком диапазоне частот.

Слабой стороной электродвигателей постоянного тока может быть обслуживание, так как во многих из них для коммутации используются щетки, которые со временем изнашиваются от контакта с подвижными частями. Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока свободны от этого недостатка, но дороже в приобретении, а их ассортимент — уже.

Избавлены от этой проблемы и асихронные электродвигатели переменного тока, а вкупе с частотно-регулируемым приводом (рис. 3) они позволяют получить более высокий КПД в изделиях мощностью более 1 л. с., таких как вентиляторы и насосы. Некоторые типы приводов предусматривают обратную связь по положению. Если этого требует характер изделия, можно дополнить электродвигатель датчиком перемещений и выбрать привод, использующий сигнал от этого датчика для обратной связи. Такая конфигурация может обеспечить такое же регулирование частоты вращения ротора, как в серводвигателе.

Рис. 3. Сочетание электродвигателя постоянного тока с частотно-регулируемым приводом широко применяется для повышения КПД и эффективно работает в разнообразных изделиях с переменной частой вращения ротора

Требуется ли управление положением ротора?

Управление положением ротора электродвигателя с малой погрешностью обеспечивается путем непрерывной проверки его положения в процессе вращения. В изделиях, где требуется, например, задавать положение линейного привода, можно применять шаговый электродвигатель с обратной связью или без таковой, а также серводвигатель со встроенной обратной связью.

Шаговый электродвигатель предназначен для перемещения в заданное положение на умеренной скорости с последующим сохранением этого положения. Шаговый электродвигатель без обратной связи по положению обеспечивает весьма точное управление положением ротора, если правильно выбрать его размер, а также перемещение на точно заданное число шагов (если только он не столкнется с изменением нагрузки, превышающим его возможности).

С ростом требуемой частоты вращения и динамических нагрузок шаговый привод без обратной связи может уже не обеспечить нужных характеристик системы, и тогда понадобится шаговый привод с обратной связью или сервопривод.

Система с обратной связью обеспечивает точное высокоскоростное перемещение по заданному профилю и регулирование положения ротора. Серводвигатель обеспечивает больший крутящий момент на высоких частотах вращения в сравнении с шаговым электродвигателем, а также эффективнее работает в изделиях, характеризующихся высокими динамическими нагрузками или сложным характером перемещения.

Для быстрого и/или резкого перемещения с малым перерегулированием по положению момент инерции нагрузки должен быть как можно лучше согласован с моментом инерции серводвигателя. Рассогласование в пропорции до 10:1 приемлемо в некоторых применениях, но оптимальным является согласование 1:1.

Уменьшение частоты вращения посредством редуктора — оптимальный способ решить проблему рассогласования моментов инерции, поскольку момент инерции нагрузки обратно пропорционален квадрату передаточного отношения редуктора. При этом в расчетах необходимо учитывать момент инерции редуктора.

Знание особенностей изделия и электродвигателя

Производители предлагают широкий ассортимент электродвигателей для промышленных применений. Шаговые электродвигатели, серводвигатели, электродвигатели переменного и постоянного тока пригодны для использования в большинстве типов изделий промышленной автоматики, но оптимальный выбор электродвигателя зависит от характера изделия. Пользователям следует выбирать электродвигатель для своего изделия, учитывая, какой требуется режим работы — постоянная частота вращения, переменная частота вращения или управление положением ротора, — и в тесном взаимодействии с поставщиками электродвигателя и привода.

Появление электродвигателей переменного тока

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущих статьях [ 1 , 2 ] описывались первые электрические двигатели с питанием от гальванических батарей. Однако во второй половине XIX века в связи с развитием электрического освещения и дальней передачи электроэнергии появились сети однофазного переменного тока [ 3 ]. Это и дало толчок к изобретению электродвигателей переменного тока.

Рис. 1. Двигатель Уитстона

Первый однофазный двигатель был предложен в 1841 г. английским физиком Чарльзом Уитстоном (Charles Wheatstone), известным также своими изобретениями в области электрогенераторов и измерительной техники. Такой двигатель подключается к источнику переменного тока и содержит (рис. 1) статор с шестью электромагнитами (1) и ротор (2) в виде медного диска с тремя подково­образными магнитами (3) полярностью N и S.

Все электромагниты включены последовательно так, что при любой полярности питающего напряжения в промежутках между ними формируются магнитные потоки или полюса чередующейся полярности n и s, показанные на рис. 1 в начальный момент времени t1 для положительного полупериода питающего напряжения. Предположим, что ротор вращается против часовой стрелки, и рассмотрим силы, действующие на верхний магнит ротора (аналогично работают и остальные магниты). Поскольку разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются, вращающий момент ротора будет направлен против часовой стрелки, поддерживая его вращение. Если ротор двигателя успеет за полупериод напряжения повернуться на 60°, то в следующий полупериод все полюса статора поменяют полярность и ротор повернется еще на 60°. Таким образом, ротор будет поворачиваться синхронно с частотой перемагничивания электромагнитов (частотой сети), отчего подобные двигатели по предложению Чарльза Штейнмеца и получили название синхронных.

Рис. 2. Векторная диаграмма двигателя

Магнитное поле статора такого двигателя можно изобразить в виде вектора (рис. 2), где Ф1, Ф2,… Ф6 — магнитные потоки статора, взаимодействующие с ротором в последовательные моменты времени t1, t2, … t6, когда питающее напряжение меняет свой знак. Получается, что вектор магнитного потока статора шагает по окружности синхронно с ротором, поэтому такое магнитное поле можно назвать шагающим.

При реальных частотах сети 50–60 Гц такой двигатель, конечно, запуститься не сможет, но если его ротор раскрутить, например, вручную или другим двигателем до синхронной скорости, то он будет устойчиво работать с частотой вращения, пропорциональной частоте сети. При электрификации Лондона посредством однофазного напряжения в 1889 г. в качестве такого «раскруточного» двигателя применили так называемый универсальный двигатель (рис. 3) с обмотками якоря (1) и возбуждения (2). Его конструкция была разработана в 1884–85 гг. независимо друг от друга Вернером Сименсом и соавторами трансформатора, венгерскими инженерами Микша Дери и Отто Блати [4–6].

Рис. 3. Универсальный двигатель

Универсальные двигатели до сих пор широко применяются при мощности до нескольких киловатт, особенно в бытовой технике. Они привлекают производителей легкостью изменения скорости с помощью регулирования напряжения, как в обычном двигателе постоянного тока. Однако для мощных приводов такое регулирование было в то время затруднительным. Поэтому для электрической тяги на железных дорогах и в лифтах с питанием от сети переменного тока стали применять так называемый репульсионный двигатель, изобретенный в 1885 г. знаменитым американским электротехником Илайю Томсоном (Elihu Thomson) и усовершенствованный позднее Микша Дери [3, 5, 6].

Рис. 4. Репульсионный двигатель

Илайю Томсон (1853–1937), родом из Англии, соединял в себе таланты блестящего университетского профессора, крупного инженера, плодовитого изобретателя (696 патентов) и успешного предпринимателя [7]. Он разработал различные системы электрического освещения, высокочастотные генератор и трансформатор, самопишущий ваттметр, один из способов электросварки, а также, например, улучшил рентгеновские трубки. Томсон основал электротехнические компании в Англии, Франции и США. В 1892 г. его компания Thomson–Houston слилась с компанией Эдисона, образовав крупнейшую электротехническую компанию мира — General Electric.

По конструкции репульсионный двигатель, схема которого показана на рис. 4, похож на универсальный двигатель с якорем (1) и возбуждением в виде электромагнита (2). Отличие состоит в том, что щетки двигателя (3) закорочены и могут вручную поворачиваться [8]. При питании переменным напряжением в закороченной обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток, направление которого, в соответствии с законом Ленца, таково, что создаваемый им поток противодействует магнитному потоку статора.

Смотрите так же:  Провода высоковольтные киа спектра 16

Тогда, если в некоторый полупериод питающего напряжения электромагнит (2) имеет полюс N внизу, то якорь (1) — такой же полюс наверху, как показано на рис. 4, что приведет к их взаимному отталкиванию и вращению ротора по часовой стрелке. Это и объясняет название двигателя, которое в дословном переводе означает «отталкивающийся». При этом величина наводимой ЭДС, а значит, и вращающего момента определяются положением щеток. Когда они горизонтальны, ЭДС и момент максимальны (режим пуска). Далее при повороте щеток против часовой стрелки момент будет падать, а скорость нарастать. Таким образом, пуск и скорость репульсионного двигателя легко регулируются разворотом щеток без изменения напряжения питания.

Тем не менее проблемы всех коллекторных двигателей, связанные с искрением, помехами и быстрым износом, были решены лишь после создания асинхронного двигателя. По своему устройству он гораздо проще любого двигателя постоянного тока, поэтому удивительно, что он был изобретен почти на полстолетия позже, несмотря на то, что, как отмечал Илайю Томсон: «Трудно составить такую комбинацию из магнитов переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению» [5].

Рис. 5. Галилео Феррарис (1847–1897)

Асинхронный двигатель базируется на концепции вращающегося магнитного поля, выдвинутой практически одновременно в середине 1880-х гг. двумя выдающимися учеными — Николой Теслой [ 3 ] и итальянским профессором физики Галилео Феррарисом (Galileo Ferraris) (рис. 5). Последний родился на севере Италии в семье фармацевта и после окончания Туринского университета стал профессором Музея индустрии, где изучал трансформаторы, многофазные цепи, линии передачи переменного тока, а также оптические приборы. Он прожил короткую жизнь, но успел заслужить в Европе звание «отца трехфазного тока» [5, 9, 10].

Если вернуться к концепции, то во вращающемся магнитном поле вектор магнитного потока статора постоянен по величине, но, в отличие от шагающего поля (рис. 2), непрерывно (равномерно) вращается с синхронной скоростью. Тогда очевидно, что ротор в виде магнита, помещенный внутри такого поля, будет вовлекаться им в синхронное вращение, что и происходит в рассмотренном выше двигателе Уитстона. Однако выяснилось, что аналогично будет вращаться и немагнитный ротор из любого проводящего металла. Еще в 1824 г. известный французский физик академик Доминик Араго (Dominique Arago) продемонстрировал опыт, названный им «магнетизмом вращения» [5] и показанный на рис. 6.

Рис. 6. Опыт Араго

Диск (1) из меди или стали на стеклянной пластине (2) вращался в том же направлении, что и вращающийся магнит (3). Объяснение этому загадочному явлению нашел Майкл Фарадей в 1831 г. после открытия закона электромагнитной индукции (закона Фарадея). Согласно ему, вращающееся магнитное поле магнита индуцирует в диске вихревые токи, создающие собственное магнитное поле, взаимодействующее с вращающимся.

Рис. 7. Опыт Бейли

Этот принцип и лежит в основе современных асинхронных двигателей (в английской литературе — индукционных), имеющих металлический ротор и отличающихся только тем, что в них вращающееся магнитное поле образуется неподвижной обмоткой статора. Первый шаг к созданию такого двигателя был сделан английским физиком Уолтером Бейли (Walter Bailey) в 1879 г., заменившим в опыте Араго вращающийся магнит на четыре электромагнита (2–5), токи в которых переключались последовательно вручную (рис. 7) [5, 10]. Но такое устройство создавало шагающее через 90 o магнитное поле. А как получить непрерывно (равномерно) вращающееся магнитное поле?

На этот вопрос ответил вышеупомянутый Феррарис в 1888 г. в докладе Туринской академии наук, математически сформулировав два условия [5, 10]:

  1. Обмотка двигателя должна содержать две независимые части (называемые теперь фазами), магнитные потоки которых геометрически взаимно перпендикулярны.
  2. Фазы должны быть запитаны двумя гармоническими напряжениями, сдвинутыми на четверть периода (синус и косинус).

Позднее Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил называть такую систему токов Drehstrom, что в дословном переводе с немецкого означает «вращательный ток» [6].

Рис. 8. Двухфазный двигатель Феррариса

Свою теорию Феррарис блестяще подтвердил макетом двигателя мощностью 3 Вт (рис. 8), имеющего ротор (1) в виде полого медного стаканчика и статор (2) с фазами A и B. Фазы разделены на две секции с разным числом витков, намотанных проводом разного диаметра так, чтобы создавать индуктивный сдвиг фаз токов в 90° при питании от однофазной сети.

В 1890 г. французские инженеры Морис Хитин (Maurice Hutin) и Морис Леблан (Maurice Leblanc) предложили использовать для сдвига фаз токов конденсатор [6]. В таком виде двухфазный двигатель дожил до наших дней под названием конденсаторного двигателя. При этом габариты конденсатора соизмеримы с размерами самого двигателя, поэтому данное техническое решение пригодно только для маломощных двигателей.

Сам Феррарис также заявлял, что «…аппарат, основанный на исследованном нами принципе, не может иметь никакого промышленного значения как двигатель» [10]. Поэтому он его не запатентовал (как, впрочем, и остальные свои открытия) и отклонил, в отличие от Теслы, предложение Вестингауза о сотрудничестве. Тем не менее его работы дали впоследствии повод оспаривать патенты Теслы в некоторых из 25 судебных процессов компании Вестингауза [5, 9]. Пессимистический вывод о перспективах своего двигателя Феррарис сделал, оценив величину его КПД в точке максимума мощности на валу — ниже 50%. Однако в данной точке это справедливо и для двигателей постоянного тока. Поэтому в дальнейшем рабочие точки стали выбирать ближе к скорости холостого хода, где в идеале КПД любого электродвигателя стремится к 100%.

Рис. 9. Двигатель Теслы

Совершенно по другому пути пошел Тесла, предложив в 1887 г. многофазные системы, где сдвинутые напряжения питания фаз вырабатывались питающим генератором, как показано, например, на рис. 9, где: 1 — генератор, 2 — двухфазный двигатель, 3 — контактные кольца генератора, 4 — обмотка ротора (кольца двигателя не показаны) [5, 10].

При положении переключателя ON ротор запитывается постоянным напряжением, и это двухфазный синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением. В положении OFF обмотка ротора закорачивается, и получается асинхронный двигатель, названный Теслой индукционным. Эксперт патентного ведомства поначалу не поверил в работоспособность такого странного двигателя, пока Тесла не продемонстрировал ему действующий макет (рис. 10).

Рис. 10. Макет двигателя Теслы

Двигатели Теслы и Феррариса легко запускались от питающей сети, однако с увеличением нагрузки их скорость падала, что подтверждается принципиальным отличием асинхронного двигателя от синхронного. Действительно, асинхронный двигатель развивает вращающий момент лишь при наличии тока, а следовательно, и ЭДС, индуцируемой в роторе. А, по закону Фарадея, это возможно лишь тогда, когда ротор пересекает силовые линии поля статора, т. е. когда скорости их вращения не одинаковы (не синхронны).

Как описано в статье [ 3 ], Тесла вместе с Вестингаузом начали активно внедрять асинхронные двигатели в жизнь, однако они были доведены до совершенства и приняли современный вид лишь благодаря трудам нашего соотечественника Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, которые будут рассмотрены в следующих статьях.

Что касается многофазных синхронных двигателей, то они нашли широкое применение там, где требуется стабильная скорость вращения, например в компрессорах, приводах генераторов и т. д. Синхронные двигатели с постоянными магнитами входят в состав современных вентильных двигателей, создающих все большую конкуренцию пока еще наиболее распространенным электродвигателям постоянного тока.

Потребность в двигателях переменного тока возникла при внедрении однофазных осветительных сетей. Первым стал синхронный двигатель Уитстона с постоянными магнитами (1841 г.).

Однако такие двигатели не имели пускового момента, поэтому на практике применялись универсальные двигатели Сименса и репульсионные двигатели Томсона (1884-5 гг).

Достаточно мощные двигатели для промышленности были созданы только в середине 1880-х гг., после того как концепция вращающегося магнитного поля была математически сформулирована Феррарисом и реализована в многофазных синхронных и асинхронных двигателях Теслы, запущенных в производство на заводах Вестингауза.

Похожие статьи:

  • Преобразователь из 220 в 120 вольт Преобразователь из 220 в 120 вольт +380442339466 +380632339466 +380958920021 +380979796526 Вас может заинтересовать! Преобразователи 220-110 Вольт от производителя Понижающие автотрансформаторы предназначены для питания переменным […]
  • Подключение трансформатора звезда-треугольник Трехфазные трансформаторы Трехфазные трансформаторы применяются для питания от 3х-фазной сети. Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются звездой или треугольником. Они позволяют обеспечить питание достаточно мощной нагрузки. Обычно […]
  • Если покрыть провода лаком Подготовка БК регулятора к водным процедурам На RC автомобилях многие сталкиваются с проблемой герметизации силовой установки, особенно при заездах по бездорожью или в сырую погоду. Производители RC электроники не особо жалуют моделистов […]
  • Стабилизатор тока 220 вольт для светодиодов Питание светодиодов от 220 вольт При использовании светодиодных гирлянд для оформления витрин, освещения вывесок и пр. их удобно питать прямо от сети через выпрямитель и балластный резистор, чтобы не устанавливать дополнительный […]
  • Инвертор 12 220 чистый синус своими руками схема Инвертор чистый синус Инвертор – это техническое устройство, служащее для преобразования напряжения одного типа в другое. В системах преобразования альтернативной энергии в электрическую (солнечные электростанции, ветровые установки), […]
  • Выбор сечения провода по потерям Расчет сетей по потерям напряжения Потребители электрической энергии работают нормально, когда на их зажимы подается то напряжение, на которое рассчитаны данный электродвигатель или устройство. При передаче электроэнергии по проводам […]