Асинхронный электродвигатель: история и применение.

Введение

Тип электродвигателя переменного тока

Индукционный двигатель, или асинхронный двигатель, – это электродвигатель переменного тока, в котором электрический ток в роторе, создающий крутящий момент, получается посредством электромагнитной индукции от магнитного поля обмотки статора. Следовательно, индукционный двигатель не требует электрических соединений с ротором. Ротор индукционного двигателя может быть раненого типа или типа "беличья клетка". Трехфазные индукционные двигатели с короткозамкнутым ротором широко используются в качестве промышленных приводов благодаря их способности к самозапуску, надежности и экономичности. Однофазные индукционные двигатели широко применяются для небольших нагрузок, таких как измельчители пищевых отходов и стационарный электроинструмент. Хотя традиционно они использовались для работы с постоянной скоростью, однофазные и трехфазные индукционные двигатели все чаще устанавливаются в приложениях с регулируемой скоростью с использованием частотных преобразователей (VFD). VFD обеспечивают возможности энергосбережения для индукционных двигателей в таких приложениях, как вентиляторы, насосы и компрессоры с переменной нагрузкой.

История

В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей, получивших название вращений Араго. В 1879 году Уолтер Бейли продемонстрировал это, вручную включая и выключая переключатели, что фактически являлось первым примитивным индукционным двигателем. Первый однофазный индукционный двигатель переменного тока без коммутатора был изобретен венгерским инженером Отто Блати; он использовал этот двигатель для привода своего изобретения – электросчетчика. Первые многофазные индукционные двигатели переменного тока без коммутатора были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой, причем первый продемонстрировал рабочую модель в 1885 году, а второй – в 1887 году. Тесла подал заявки на патенты в США в октябре и ноябре 1887 года и получил некоторые из них в мае 1888 года. В апреле 1888 года Королевская академия наук Турина опубликовала исследования Феррариса о его многофазном двигателе переменного тока, подробно описывающие основы работы двигателя. В мае 1888 года Тесла представил технический доклад «Новая система для двигателей и трансформаторов переменного тока» Американскому институту инженеров-электриков (AIEE), в котором описал три типа четырехполюсных двигателей со статором: один с четырехполюсным ротором, образующим двигатель релюктанса, не обладающий самозапуском, другой – с обмоточным ротором, образующим самозапускающийся индукционный двигатель, и третий – настоящий синхронный двигатель с отдельным питанием постоянным током для обмотки ротора. Джордж Вестингхаус, разрабатывавший в то время систему электроснабжения переменным током, лицензировал патенты Теслы в 1888 году и приобрел опцион на патент США на концепцию индукционного двигателя Феррариса. Тесла также был нанят в качестве консультанта на один год. Сотрудник Westinghouse К. Ф. Скотт был назначен помогать Тесле, а позже возглавил разработку индукционного двигателя в Westinghouse. Неуклонно продвигая трехфазную разработку, Михаил Доливо-Добровольский изобрел индукционный двигатель с короткозамкнутым ротором в 1889 году и трехстержневой трансформатор в 1890 году. Кроме того, он утверждал, что двигатель Теслы непрактичен из-за двухфазных пульсаций, что побудило его продолжать работу над трехфазной системой. Хотя Westinghouse добился создания своего первого практичного индукционного двигателя в 1892 году и разработал линейку многофазных 60-герцевых индукционных двигателей в 1893 году, эти ранние двигатели Westinghouse были двухфазными двигателями с обмоточными роторами, пока Б. Г. Ламме не разработал ротор с вращающейся стержневой обмоткой. Чарльз Протеус Штайнмец из GE усовершенствовал применение комплексных величин переменного тока и разработал аналитическую модель, названную эквивалентной схемой индукционного двигателя Штайнмеца. Улучшения индукционного двигателя, вытекающие из этих изобретений и инноваций, были такими, что современный индукционный двигатель мощностью 100 лошадиных сил имеет те же монтажные размеры, что и 7,5-сильный двигатель в 1897 году. Вращающийся магнитный поток индуцирует токи в обмотках ротора, подобно токам, индуцированным во вторичных обмотках трансформатора. Индуцированные токи в обмотках ротора, в свою очередь, создают магнитные поля в роторе, которые взаимодействуют с полем статора. Направление магнитного поля ротора противодействует изменению тока в обмотках ротора в соответствии с законом Ленца. Причиной индуцированного тока в обмотках ротора является вращающееся магнитное поле статора, поэтому, чтобы противодействовать изменению токов в обмотках ротора, ротор вращается в направлении магнитного поля статора. Ротор ускоряется до тех пор, пока величина индуцированного тока и крутящего момента ротора не уравновесит нагрузку на ротор. Поскольку вращение с синхронной скоростью не индуцирует ток в роторе, индукционный двигатель всегда работает немного медленнее, чем синхронная скорость. Разница, или «скольжение», между фактической и синхронной скоростью варьируется от 0,5% до 5,0% для стандартных индукционных двигателей с кривой крутящего момента типа B. Существенной характеристикой индукционного двигателя является то, что крутящий момент создается исключительно индукцией, а не отдельным возбуждением ротора, как в синхронных или двигателях постоянного тока, или самомагнетизмом, как в двигателях с постоянными магнитами. Индукционный двигатель может использоваться в качестве генератора индукции или быть развернут в линейный индукционный двигатель, который может непосредственно создавать линейное движение. Режим генерации для индукционных двигателей осложняется необходимостью возбуждения ротора, которое начинается только с остаточной намагниченности. В некоторых случаях этой остаточной намагниченности достаточно для самовозбуждения двигателя под нагрузкой. Поэтому необходимо либо замкнуть двигатель и кратковременно подключить его к живой сети, либо добавить конденсаторы, заряженные первоначально остаточной намагниченностью и обеспечивающие необходимое реактивное сопротивление во время работы. Схожим является принцип работы индукционного двигателя, работающего параллельно с синхронным двигателем в качестве компенсатора коэффициента мощности. Особенностью режима генерации, параллельного сети, является то, что скорость ротора выше, чем в режиме привода. Тогда активная энергия поступает в сеть. Например, для четырехполюсного трехфазного двигателя n = 4 и N = 1500 об/мин (при f = 50 Гц) и 1800 об/мин (при f = 60 Гц) – синхронная скорость. Число магнитных полюсов, p, – это число северных и южных полюсов на фазу. Например, однофазный двигатель с 3 северными и 3 южными полюсами, имеющий 6 полюсов на фазу, является 6-полюсным двигателем. Трехфазный двигатель с 18 северными и 18 южными полюсами, имеющий 6 полюсов на фазу, также является 6-полюсным двигателем. Этот отраслевой стандарт подсчета полюсов приводит к одинаковой синхронной скорости для заданной частоты, независимо от полярности.

In 1824, the French physicist François Arago formulated the existence of rotating magnetic fields, termed Arago's rotations. By manually turning switches on and off, Walter Baily demonstrated this in 1879, effectively the first primitive induction motor. The first commutator free single phase AC induction motor was invented by Hungarian engineer Ottó Bláthy; he used the single phase motor to propel his invention, the electricity meter. The first AC commutator free polyphase induction motors were independently invented by Galileo Ferraris and Nikola Tesla, a working motor model having been demonstrated by the former in 1885 and by the latter in 1887. Tesla applied for US patents in October and November 1887 and was granted some of these patents in May 1888. In April 1888, the Royal Academy of Science of Turin published Ferraris's research on his AC polyphase motor detailing the foundations of motor operation. In May 1888 Tesla presented the technical paper A New System for Alternating Current Motors and Transformers to the American Institute of Electrical Engineers (AIEE)
describing three four stator pole motor types: one having a four pole rotor forming a non self starting reluctance motor, another with a wound rotor forming a self starting induction motor, and the third a true synchronous motor with a separately excited DC supply to the rotor winding. George Westinghouse, who was developing an alternating current power system at that time, licensed Tesla's patents in 1888 and purchased a US patent option on Ferraris' induction motor concept. Tesla was also employed for one year as a consultant. Westinghouse employee C. F. Scott was assigned to assist Tesla and later took over development of the induction motor at Westinghouse. Steadfast in his promotion of three phase development, Mikhail Dolivo Dobrovolsky invented the cage rotor induction motor in 1889 and the three limb transformer in 1890. Furthermore, he claimed that Tesla's motor was not practical because of two phase pulsations, which prompted him to persist in his three phase work. Although Westinghouse achieved its first practical induction motor in 1892 and developed a line of polyphase 60 hertz induction motors in 1893, these early Westinghouse motors were two phase motors with wound rotors until B. G. Lamme developed a rotating bar winding rotor. GE's Charles Proteus Steinmetz improved the application of AC complex quantities and developed an analytical model called the induction motor Steinmetz equivalent circuit. Induction motor improvements flowing from these inventions and innovations were such that a modern 100 horsepower induction motor has the same mounting dimensions as a 7.5 horsepower motor in 1897. The rotating magnetic flux induces currents in the rotor windings, in a manner similar to currents induced in a transformer's secondary winding(s). The induced currents in the rotor windings in turn create magnetic fields in the rotor that react against the stator field. The direction of the rotor magnetic field opposes the change in current through the rotor windings, following Lenz's Law. The cause of induced current in the rotor windings is the rotating stator magnetic field, so to oppose the change in rotor winding currents the rotor turns in the direction of the stator magnetic field. The rotor accelerates until the magnitude of induced rotor current and torque balances the load on the rotor. Since rotation at synchronous speed does not induce rotor current, an induction motor always operates slightly slower than synchronous speed. The difference, or "slip," between actual and synchronous speed varies from about 0.5% to 5.0% for standard Design B torque curve induction motors. The induction motor's essential character is that torque is created solely by induction instead of the rotor being separately excited as in synchronous or DC machines or being self magnetized as in permanent magnet motors. An induction motor can be used as an induction generator, or it can be unrolled to form a linear induction motor which can directly generate linear motion. The generating mode for induction motors is complicated by the need to excite the rotor, which begins with only residual magnetization. In some cases, that residual magnetization is enough to self excite the motor under load. Therefore, it is necessary to either snap the motor and connect it momentarily to a live grid or to add capacitors charged initially by residual magnetism and providing the required reactive power during operation. Similar is the operation of the induction motor in parallel with a synchronous motor serving as a power factor compensator. A feature in the generator mode in parallel to the grid is that the rotor speed is higher than in the driving mode. Then active energy is being given to the grid. For example, for a four pole, three phase motor, = 4 and = 1,500 RPM (for = 50 Hz) and 1,800 RPM (for = 60 Hz) synchronous speed. The number of magnetic poles, , is the number of north and south poles per phase. For example; a single phase motor with 3 north and 3 south poles, having 6 poles per phase, is a 6 pole motor. A three phase motor with 18 north and 18 south poles, having 6 poles per phase, is also a 6 pole motor. This industry standard method of counting poles results in the same synchronous speed for a given frequency regardless of polarity.

Начинаю .

Существует три основных типа небольших индукционных двигателей: однофазный с расщепленной фазой, однофазный с затененным полюсом и многофазный. В двухполюсных однофазных двигателях крутящий момент падает до нуля при 100% скольжении (нулевой скорости), поэтому для обеспечения пускового момента требуется модификация статора, например, использование затененных полюсов. Однофазному индукционному двигателю необходима отдельная пусковая схема для создания вращающегося магнитного поля. Обычные обмотки в таком однофазном двигателе могут заставить ротор вращаться в любом направлении, поэтому направление вращения определяется пусковой схемой. В некоторых небольших однофазных двигателях запуск осуществляется с помощью витка медной проволоки, охватывающего часть полюса; такой полюс называется затененным полюсом. Ток, индуцированный в этом витке, отстает по фазе от тока питания, создавая запаздывающее магнитное поле вокруг затененной части полюса. Это обеспечивает достаточную энергию вращающего поля для запуска двигателя. Эти двигатели обычно используются в таких устройствах, как настольные вентиляторы и проигрыватели, поскольку требуемый пусковой момент невелик, а низкий КПД приемлем по сравнению с уменьшенной стоимостью двигателя и метода запуска по сравнению с другими конструкциями двигателей переменного тока. Более мощные однофазные двигатели – это двигатели с расщепленной фазой, имеющие вторую обмотку статора, питаемую током, сдвинутым по фазе; такой ток может быть создан путем подключения обмотки через конденсатор или путем обеспечения различных значений индуктивности и сопротивления по сравнению с основной обмоткой. В конструкциях с пуском через конденсатор вторая обмотка отключается после достижения двигателем рабочей скорости, обычно с помощью центробежного выключателя, воздействующего на грузы на валу двигателя, или термистора, который нагревается и увеличивает свое сопротивление, снижая ток во второй обмотке до пренебрежимо малого уровня. Конструкции с конденсатором, работающим постоянно, поддерживают вторую обмотку включенной во время работы, улучшая крутящий момент. Конструкция с пуском через сопротивление использует пусковое устройство, включенное последовательно с пусковой обмоткой, создавая реактивное сопротивление. Многофазные индукционные двигатели с самозапуском создают крутящий момент даже в состоянии покоя. Доступные методы запуска двигателей с короткозамкнутым ротором включают прямой пуск, пуск с пониженным напряжением с помощью реактора или автотрансформатора, пуск «звезда-треугольник» или, все чаще, новые твердотельные устройства плавного пуска и, конечно, частотно-регулируемые приводы (ЧРП). Большие двигатели с фазным ротором, называемые системами рекуперации энергии скольжения, некоторые из которых все еще используются, восстанавливают энергию из цепи ротора, выпрямляют ее и возвращают в энергосистему с помощью ЧРП.

There are three basic types of small induction motors: split phase single phase, shaded pole single phase, and polyphase. In two pole single phase motors, the torque goes to zero at 100% slip (zero speed), so these require alterations to the stator such as shaded poles to provide starting torque. A single phase induction motor requires separate starting circuitry to provide a rotating field to the motor. The normal running windings within such a single phase motor can cause the rotor to turn in either direction, so the starting circuit determines the operating direction. In certain smaller single phase motors, starting is done by means of a copper wire turn around part of a pole; such a pole is referred to as a shaded pole. The current induced in this turn lags behind the supply current, creating a delayed magnetic field around the shaded part of the pole face. This imparts sufficient rotational field energy to start the motor. These motors are typically used in applications such as desk fans and record players, as the required starting torque is low, and the low efficiency is tolerable relative to the reduced cost of the motor and starting method compared to other AC motor designs. Larger single phase motors are split phase motors and have a second stator winding fed with out of phase current; such currents may be created by feeding the winding through a capacitor or having it receive different values of inductance and resistance from the main winding. In capacitor start designs, the second winding is disconnected once the motor is up to speed, usually either by a centrifugal switch acting on weights on the motor shaft or a thermistor which heats up and increases its resistance, reducing the current through the second winding to an insignificant level. The capacitor run designs keep the second winding on when running, improving torque. A resistance start design uses a starter inserted in series with the startup winding, creating reactance. Self starting polyphase induction motors produce torque even at standstill. Available squirrel cage induction motor starting methods include direct on line starting, reduced voltage reactor or auto transformer starting, star delta starting or, increasingly, new solid state soft assemblies and, of course, variable frequency drives (VFDs). Large slip ring motor drives, termed slip energy recovery systems, some still in use, recover energy from the rotor circuit, rectify it, and return it to the power system using a VFD.

Каскадный

Скорость пары двигателей с кольцевым сдвигом может регулироваться каскадным соединением или конкатенацией. Ротор одного двигателя соединен со статором другого. Если два двигателя также соединены механически, они будут вращаться со скоростью, вдвое меньшей. Эта система когда-то широко использовалась в трехфазных локомотивах переменного тока, например, FS Class E.333. Однако к началу этого века подобные каскадные электромеханические системы стали решаться гораздо более эффективно и экономично с использованием решений на основе силовых полупроводниковых элементов.

Переключательная частота привода

Во многих промышленных приложениях с регулируемой скоростью приводы постоянного тока и WRIM заменяются асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, питаемыми от VFD. Наиболее распространенным и эффективным способом управления скоростью асинхронного двигателя для многих типов нагрузок является использование VFD. Препятствия для внедрения VFD, связанные с их стоимостью и надежностью, значительно снизились за последние три десятилетия, и по оценкам, технология привода применяется в 30–40% всех вновь устанавливаемых двигателей. VFD реализуют скалярное или векторное управление асинхронным двигателем. При скалярном управлении контролируются только величина и частота питающего напряжения, без управления фазой (отсутствует обратная связь по положению ротора). Скалярное управление подходит для применений с постоянной нагрузкой. Векторное управление обеспечивает независимый контроль скорости и момента двигателя, позволяя поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. Однако векторное управление более дорогостоящее из-за стоимости датчика (не всегда необходимого) и требований к более мощному контроллеру.

Строительство

Статор индукционного двигателя состоит из полюсов, по которым подается ток для создания магнитного поля, проникающего в ротор. Для оптимизации распределения магнитного поля обмотки распределяются в пазах вокруг статора, при этом магнитное поле содержит одинаковое количество северных и южных полюсов. Индукционные двигатели чаще всего работают от однофазного или трехфазного питания, но существуют и двухфазные двигатели; теоретически, индукционные двигатели могут иметь любое количество фаз. Многие однофазные двигатели с двумя обмотками можно рассматривать как двухфазные, поскольку конденсатор используется для создания второй фазы питания, сдвинутой на 90° относительно однофазного источника, и подачи ее на вторую обмотку двигателя. Однофазным двигателям требуется устройство для создания вращающегося магнитного поля при запуске. Индукционные двигатели с обмоткой ротора типа "беличья клетка" могут иметь слегка наклоненные стержни ротора для сглаживания крутящего момента на каждом обороте. Стандартизированные размеры корпусов двигателей по стандартам NEMA и IEC обеспечивают взаимозаменяемость размеров вала, лап, общих параметров, а также некоторых параметров фланцев двигателя. Конструкция двигателя открытого типа с защитой от капель (ODP) обеспечивает свободный воздухообмен между внешней средой и внутренними обмотками статора, что делает этот тип двигателя немного более эффективным благодаря более низкому нагреву обмоток. При заданной мощности, для достижения более низкой скорости требуется корпус большего размера.

Обратная вращение

Способ изменения направления вращения индукционного двигателя зависит от того, является ли он трехфазным или однофазным. Направление вращения трехфазного двигателя можно изменить, поменяв местами любые два его фазных подключения. Двигатели, которым требуется регулярное изменение направления вращения (например, подъемные механизмы), оснащаются дополнительными переключающими контактами в контроллере для изменения направления вращения по мере необходимости. Частотный преобразователь почти всегда позволяет изменить направление вращения путем электронного изменения последовательности фаз напряжения, подаваемого на двигатель. В однофазном двигателе с расщепленной фазой изменение направления вращения достигается путем изменения подключения стартовой обмотки. Некоторые двигатели имеют выведенные подключения стартовой обмотки, что позволяет выбрать направление вращения при установке. Если стартовая обмотка постоянно подключена внутри двигателя, изменить направление вращения непрактично. Однофазные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют фиксированное направление вращения, если только не предусмотрен второй набор обмоток короткозамкнутого ротора.