Введение

Электродвигатель, приводимый в действие электрическим входом переменного тока. Двигатель переменного тока обычно состоит из двух основных частей: внешнего статора с катушками, снабженными переменным током для производства вращающегося магнитного поля, и внутреннего ротора, присоединенного к выходному валу, производящего второе вращающееся магнитное поле. Магнитное поле ротора может быть создано постоянными магнитами, выступающими элементами или электрическими обмотками постоянного или переменного тока. Менее распространенные линейные двигатели переменного тока работают по аналогичным принципам, как вращающиеся двигатели, но имеют свои стационарные и движущиеся части, расположенные в прямолинейной конфигурации, производя линейное движение вместо вращения.

Принципы работы

Два основных типа двигателей переменного тока - индукционные и синхронные. Индукционный двигатель (или асинхронный двигатель) всегда полагается на небольшую разницу в скорости между вращающимся магнитным полем статора и скоростью вала ротора, называемой скольжением, для индукции тока ротора в обмотке переменного тока ротора. В результате индукционный двигатель не может производить крутящий момент вблизи 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, выступающие полюса (имеющие выступающие магнитные полюса), либо независимо возбужденную обмотку ротора. Синхронный двигатель производит свой номинальный крутящий момент при точно синхронных оборотах. Система синхронных двигателей с двумя питаниями без щетки имеет независимую возбужденную обмотку ротора, которая не опирается на принципы сдвига индукции тока. Двухприводной двигатель без щетки является синхронным двигателем, который может работать точно на частоте подачи или на частоте подачи. Другие типы двигателей включают двигатели вихревого тока, и переменного тока и постоянного тока механически коммутируемые машины, в которых скорость зависит от напряжения и стыковки обмотки.

История

Технология переменного тока была основана на открытии Майкла Фарадея и Джозефа Генри в 1830-31 годах, что изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрический ток в цепи. Фарадея обычно считают автором этого открытия, так как он опубликовал свои результаты первым. В 1832 году французский производитель приборов Ипполит Пиксии создал грубую форму переменного тока, когда он спроектировал и построил первый генератор. Он состоял из вращающегося подковыльного магнита, проходящего через две скрученные катушки проволоки. Из-за преимуществ переменного тока в передаче высокого напряжения на большие расстояния в конце 19-го века в Соединенных Штатах и Европе было много изобретателей, пытавшихся разработать работоспособные переменные моторы. Первым человеком, который задумал вращающееся магнитное поле, был Уолтер Бейли, который дал работоспособную демонстрацию своего многофазного двигателя с батареей, управляемого коммутатором, 28 июня 1879 года в Лондонском физическом обществе. Описывая аппарат, почти идентичный устройству Бейли, французский инженер-электрик Марсель Депрез опубликовал в 1880 году статью, в которой был определен принцип вращающегося магнитного поля и двухфазной системы переменного тока, чтобы произвести его. Никогда не демонстрировался на практике, конструкция была ошибочной, так как один из двух токов был "предоставлен самой машиной". В 1887 году американский изобретатель Чарльз Шенк Брэдли был первым, кто запатентовал двухфазную передачу тока переменного тока с четырьмя проводами. "Без коммутатора" индукционные двигатели переменного тока, кажется, были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой. Феррарис продемонстрировал рабочую модель своего однофазного индукционного двигателя в 1885 году, а Тесла построил свой рабочий двухфазный индукционный двигатель в 1887 году и продемонстрировал его в Американском институте инженеров-электриков в 1888 году (хотя Тесла утверждал, что он задумал вращающееся магнитное поле в 1882 году). В 1888 году Феррарис опубликовал свои исследования в Королевской академии наук в Турине, где он подробно описал основы работы двигателя; Тесла в том же году получил патент на свой собственный двигатель в Соединенных Штатах. Работая на экспериментах Феррариса, Михаил Доливо Добровольский ввел первый трехфазный индукционный двигатель в 1890 году, гораздо более способный дизайн, который стал прототипом, используемым в Европе и США. Он также изобрел первый трехфазный генератор и трансформатор и объединил их в первую полную трехфазную систему переменного тока в 1891 году. Трехфазный двигатель был разработан швейцарским инженером Чарльзом Юджином Ланселотом Брауном,

Ротор полифазной клетки

Большинство распространенных двигателей переменного тока используют ротор с клеткой белки, который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Клетка для белки относится к вращающейся клетке для домашних животных. Двигатель получил свое название от формы его ротора, который "завивается" кольцом на обоих концах ротора, с решетками, соединяющими кольца, проходящими по длине ротора. Обычно это литый алюминий или медь, разлитый между железными ламинатами ротора, и обычно видны только конечные кольца. Подавляющее большинство токов ротора будет протекать через прутки, а не через ламинат с более высоким сопротивлением и обычно лакированный. Очень низкие напряжения при очень высоких токах типичны для прутков и конечных колец; высокоэффективные двигатели часто используют литую медь для снижения сопротивления в роторе. В работе двигатель для клетки для белки можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной. Когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие роторные токи; большие роторные токи намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы привести ротор почти в синхронность с полем статора. Двигатель с безнагруженной клеткой для белка при номинальной скорости без нагрузки будет потреблять электрическую энергию только для поддержания скорости ротора против потерь трения и сопротивления. По мере увеличения механической нагрузки, увеличивается и электрическая нагрузка. Электрическая нагрузка по своей сути связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичного связана с электрической нагрузкой вторичного. Вот почему двигатель вентилятора для клетки для белки может привести к тускне домашних огней при запуске, но не приглушает огонь при запуске, когда его ремень вентилятора (и, следовательно, механическая нагрузка) удаляется. Кроме того, застойный двигатель с клеткой для белка (с перегруженной или застрявшей осью) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, когда он пытается запуститься. Если что-то не ограничивает ток (или не отключает его полностью), вероятным результатом является перегрев и разрушение изоляции обмотки. Практически каждая стиральная машина, посудомоечная машина, автономный вентилятор, проигрыватель и т.д. использует какой-то вариант двигателя из клетки для белки.

Многофазный винтовый ротор

Другая конструкция, называемая винтовым ротором, используется, когда требуется переменная скорость. В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, как и статор, а обмотки сделаны из проволоки, соединенной со скользящими кольцами на вале. Углеродные щетки соединяют скользящие кольца с контроллером, таким как переменный резистор, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя. В некоторых высокомощных винтовых роторных приводах с переменной скоростью энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор. При двунаправленном управлении мощностью, винтовый ротор становится активным участником процесса преобразования энергии, при этом в конфигурации с двойным питанием винтового ротора плотность мощности увеличивается вдвое. По сравнению с роторами с клеткой для белки, роторные двигатели с намоткой дорогие и требуют обслуживания скользящих колец и кистей, но они были стандартной формой для регулирования переменной скорости до появления компактных силовых электронных устройств. Транзисторизированные инверторы с приводом с переменной частотой теперь могут использоваться для контроля скорости, а винтовые роторные двигатели становятся менее распространенными. Используется несколько методов запуска многофазного двигателя. Если допускается большой входный ток и высокий крутящий момент, двигатель может быть запущен через линию, применяя полное напряжение линии к концам (прямой на линии, DOL). Если необходимо ограничить запуск входящего тока (когда двигатель большой по сравнению с мощностью короткого замыкания источника питания), двигатель запускается при пониженном напряжении с использованием серийных индукторов, автотрансформатора, тиристоров или других устройств. Иногда используется метод старта с дельта-звездой (YΔ), при котором катушки двигателя сначала соединяются в звездной конфигурации для ускорения нагрузки, а затем переключаются на дельта-конфигурацию, когда нагрузка достигает максимальной скорости. Эта техника более распространена в Европе, чем в Северной Америке. Транзисторизированные приводы могут непосредственно изменять напряжение, как это требуется в зависимости от характеристик запуска двигателя и нагрузки. Этот тип двигателя становится все более распространенным в таких приложениях тяги, как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель.

Мотор однофазный с индукционной силой

Однофазные двигатели не имеют уникального вращающегося магнитного поля, как многофазные двигатели. Поле чередуется (обратная полярность) между парами полюсов и может рассматриваться как два поля, вращающихся в противоположных направлениях. Для них требуется вторичное магнитное поле, которое заставляет ротор двигаться в определенном направлении. После запуска, поле переменного статора находится в относительном вращении с ротором. Обычно используются несколько методов:

Мотор с затененным полюсом

Обычный однофазный двигатель - это затененный полюсный двигатель, используемый в устройствах, требующих низкого крутящего момента, таких как электрические вентиляторы, небольшие насосы или небольшие бытовые приборы. В этом двигателе небольшие медные "окрашивающие катушки" с одним поворотом создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса окружена медной катушкой или ремнем; индуцированный ток в ремении противостоит изменению потока через катушку. Это вызывает временную задержку потока, проходящего через оболочку затенения, так что максимальная интенсивность поля на каждом цикле повышается по поверхности полюса. Это создает низкоуровневое вращающееся магнитное поле, которое достаточно велико, чтобы вращать как ротор, так и его прикрепленную нагрузку. По мере того, как ротор набирает скорость, крутящий момент нарастает до полного уровня, поскольку основное магнитное поле вращается относительно вращающегося ротора. Реверсивное затенение полюса двигателя было сделано Барбер Колман несколько десятилетий назад. У него была одна катушка поля и два главных столба, каждый из которых разделился пополам, чтобы создать две пары столбов. Каждый из этих четырех "полуполюсов" несет катушку, а катушки диагонально противоположных полуполюсов соединялись с парой концов. Один терминал каждой пары был общим, поэтому всего было нужно три терминала. Двигатель не запускался с открытыми концами; подключение общего к другому заставляло двигатель работать в одном направлении, а подключение общего к другому заставляло его работать в другом направлении. Эти двигатели использовались в промышленных и научных устройствах. Необычный, регулируемый, с низким крутящим моментом, затененный полюсный двигатель можно было найти в светофорах и контроллерах рекламного освещения. Лица полюсов были параллельны и относительно близки друг к другу, с диском, сосредоточенным между ними, что-то вроде диска в ватт-часовом электричестве. Каждая из них была разделена и имела на одной стороне затеняющий катушек; затеняющие катушки были на сторонах, которые были обращены друг к другу. Применение переменного тока на катушку создало поле, которое прогрессировало в промежутке между полюсами. Плоскость ядра статора была приблизительно касательной к воображаемому кругу на диске, поэтому движущееся магнитное поле влезало в диск и заставило его вращаться. Статор был установлен на поворот, чтобы его можно было установить на желаемую скорость, а затем зажать в положении. Поставляя полюса ближе к центру диска, он бежал быстрее, а к краю - медленнее.

Двигатель с разделенной фазой

Другой распространенный однофазный переменный двигатель - это разделительный фазовый индукционный двигатель, обычно используемый в крупных приборах, таких как кондиционеры и сушилки для одежды. По сравнению с затененным двигателем, эти двигатели обеспечивают гораздо больший крутящий момент. Двигатель с разделенной фазой имеет вторичную стартовую обмотку, которая находится на 90 градусов от основной обмотки, всегда сосредоточена непосредственно между полюсами основной обмотки и соединена с основной обмоткой набором электрических контактов. Котушки этой обмотки обмотаны меньшим количеством поворотов из более мелких проводов, чем основная обмотка, поэтому она имеет более низкую индуктивность и более высокое сопротивление. Положение обмотки создает небольшое сдвиг фазы между потоком основной обмотки и потоком стартовой обмотки, вызывая вращение ротора. Когда скорость двигателя достаточна для преодоления инерции нагрузки, контакты открываются автоматически посредством центрифугирующего переключателя или электрического реле. Направление вращения определяется соединением между основной обмоткой и стартовой цепью. В применениях, где двигатель требует постоянного вращения, один конец стартовой цепи постоянно соединен с основной обмоткой, а контакты соединяются на другом конце.

Конденсатор запускает двигатель

Конденсаторный стартовый мотор - это разделительный фазовый индукционный мотор с начальным конденсатором, вставленным в ряд с начальной обмоткой, создавая схему LC, которая производит больший фазовый сдвиг (и, следовательно, гораздо больший начальный крутящий момент), чем как разделённый фазовый, так и затененный полюсные двигатели. Этот двигатель имеет центробежный выключатель, который отключает конденсатор после запуска двигателя. Этот двигатель обеспечивает высокий крутящий момент. Конденсаторный старт, конденсаторный двигатель имеет два отдельных конденсатора, один для запуска двигателя, а другой для его запуска, и имеет центрифуговый переключатель для отключения стартового конденсатора или задней реле ЭМП, подключенный параллельно с вспомогательной обмоткой двигателя. Этот двигатель обеспечивает высокий крутящий момент и высокую эффективность.

Двигатель с сопротивлением

Мотор с разрядом сопротивления - это разрядной фазовый индукционный двигатель с стартером, вставленным в ряд с стартовой намоткой, создающим реактивность. Этот дополнительный стартер обеспечивает помощь в начале и начальном направлении вращения. Начинающая намотка выполнена в основном из тонкого провода с меньшим количеством поворотов, чтобы сделать ее более сопротивляющейся и менее индуктивной. Основная обмотка выполнена из более толстого провода с большим количеством поворотов, что делает ее менее сопротивляющейся и более индуктивной.

Мотор с постоянным разделением конденсатора

Другой вариант - постоянный разделённый конденсатор (или PSC). Этот тип двигателя, также известный как конденсаторный двигатель, использует неполяризованный конденсатор с высоким номинальным напряжением для генерации электрического фазового сдвига между запуском и запуском обмотки. Двигатели PSC являются доминирующим типом двигателя с разделенной фазой в Европе и большей части мира, но в Северной Америке они чаще всего используются в приложениях с переменным крутящим моментом (таких как вентиляторы, вентиляторы и насосы) и в других случаях, когда требуются переменные скорости. Конденсатор с относительно низкой емкостью и относительно высоким номинальным напряжением подключается в серии с стартовой обмоткой и остается в цепи в течение всего цикла работы.