Электроника:Переменный ток/Двигатели переменного тока/Введение в двигатели переменного тока

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Введение в двигатели переменного тока[1]

Через какое-то время после того, как Эдисон в США создал национальную систему распределения электроэнергии постоянного тока, начался постепенный переход к переменному току, который был более экономичным. Освещение в те времена работало как на переменном, так и на постоянном токе. Меньшие потери при передаче электрической энергии на большие расстояния достигаются при переменном токе. Что касается двигателей, то использование переменного тока было неэффективным. Дело в том, что изначально двигатели переменного тока были сконструированы по лекалам двигателей постоянного тока, но из-за переменных магнитных полей возникали многочисленные проблемы.

Рис. 1. Схема семейства электродвигателей переменного тока.

Свой вклад в решение этих проблем внёс Чарльз П. Штейнмец, исследовавший гистерезисные потери в железном каркасе, через который проходил ток. Совершенно новый тип двигателя представил Никола Тесла, создавший турбину, которая крутилась не за счёт работы воды или пара, а за счёт вращающегося магнитного поля. Его новый тип двигателя, асинхронный двигатель переменного тока, по сей день является рабочей лошадкой отрасли. Прочность и простота обеспечивают долгий срок службы, высокую надёжность и низкие эксплуатационные расходы.

Тем не менее, в компактных устройствах малым асинхронным электродвигателям Теслы конкуренцию составляют как небольшие щёточные электродвигатели переменного тока, так и аналогичные разнообразные электромоторы, работающие на постоянном токе. Но там, где требуется больше одной лошадиной силы (750 Вт), очевидный фаворит – двигатель Теслы.

Современные твердотельные электронные схемы приводят в действие бесщёточные двигатели постоянного тока за счёт сигналов переменного тока, генерируемых от источника постоянного тока. Бесщёточный электродвигатель постоянного тока, фактически являющийся электродвигателем переменного тока, заменяет обычный щёточный электродвигатель постоянного тока во многих приложениях. И шаговый электромотор, дискретная версия двигателя, приводится в движение прямоугольными волнами переменного тока, опять же, генерируемыми твердотельной схемой.

На рисунке выше показано генеалогическое древо двигателей переменного тока, с которыми мы познакомимся в этой главе.

В современных круизных лайнерах и других крупных судах на замену карданным валам с редукторами пришли крупные многомегаваттные генераторы и двигатели. Ещё раннее этот процесс замены в течении многих лет происходил для тепловозов, имеющих гораздо меньшие масштабы, чем корабли.

Рис. 2. Диаграмма системного уровня работы моторной системы.

На системном уровне двигатель потребляет электрическую энергию в виде разности потенциалов и тока, преобразуя её в механическую работу. К сожалению, электродвигатели не на 100% эффективны. Часть электроэнергии теряется в виде тепла, другой вид энергии, из-за потерь I2R (также называемых потерями в меди) происходит в обмотках двигателя. Тепло – нежелательный побочный продукт этого преобразования. Его необходимо отводить от двигателя, так как это может отрицательно сказаться на долговечности деталей. Таким образом, одна из целей – максимизировать КПД двигателя, уменьшая тепловые потери. Двигатели переменного тока также имеют некоторые потери, с которыми не сталкиваются двигатели постоянного тока: гистерезис и вихревые токи.

Гистерезис и вихревые токи

Первые разработчики двигателей переменного тока столкнулись с проблемами, связанными с потерями, характерными для переменного тока, возникающего в магнитном поле. Эти проблемы возникли при адаптации двигателей постоянного тока для работы с переменным током. Хотя некоторые сегодняшние двигатели переменного тока в чём-то схожи с двигателями постоянного тока, эти нюансы необходимо учитывать, дабы должным образом проектировать двигатель переменного тока любого типа.

Сердечники как ротора, так и статора двигателей переменного тока состоят из набора изолированных пластин. Пластины покрыты изоляционным лаком, прежде чем их штабелировать и скреплять болтами, фиксируя окончательную форму сердечника. Вихревые токи сводятся к минимуму за счёт разделения потенциально проводящего контура на более мелкие сегменты, в которых и потери меньше.

Токовые петли выглядят как закороченные вторичные витки трансформатора. Тонкие изолированные пластины разрывают эти петли. Кроме того, кремний (полупроводник), добавляется в сплав, используемый в пластинах, что увеличивает электрическое сопротивление и, как следствие, снижает величину вихревых токов.

Рис. 3. Вихревые токи в железных сердечниках. Сердечник слева – сплошной, в результате чего вихревым токам есть где разгуляться. Сердечник справа состоит из набора отдельных пластин, покрытых изоляционным лаком. Это позволяет крупных вихревой ток разделить на множество мелких.

Если пластины изготовлены из стали с ориентированной зернистой структурой из кремниевого сплава, потери на гистерезис сведены к минимуму. Магнитный гистерезис – это отставание напряжённости магнитного поля по сравнению с силой намагничивания (в томе 1 «Постоянный ток» в 14-й главе про магнетизм и электромагнетизм в разделе 4 «Магнитная проницаемость и насыщение» мы подробно рассмотрели механизм гистерезиса). Если гвоздь из мягкого железа временно намагничивается соленоидом, ожидается, что гвоздь потеряет магнитное поле, как только соленоид будет обесточен. Однако небольшая остаточная намагниченность BR из-за гистерезиса остаётся.

Переменный ток должен затратить энергию -HC, коэрцитивную силу, на преодоление этой остаточной намагниченности, прежде чем сердечник полностью размагнитится, не говоря уже о том, чтобы запустить процесс в противоположном направлении.

Потери на гистерезис возникают каждый раз, когда меняется полярность переменного тока. Потери пропорциональны площади, ограниченной петлей гистерезиса на B-H-кривой. «Мягкие» сплавы железа имеют меньшие потери, по сравнению с «твёрдыми» сплавами из высокоуглеродистой стали. Сталь с ориентированным зернистым кремнием (содержание которого ≈ 4%), прокатанная для правильного ориентирования зерна и достижения кристаллической структуры, имеет ещё более низкие потери.

Рис. 4. Кривые для сплавов с низкими и высокими гистерезисными потерями.

Когда Штейнмец вывел закон гистерезиса, предсказывающий потери в железном сердечнике, стало возможным проектировать двигатели переменного тока, которые прогнозируемо работали. Это как спроектировать мост, и при этом быть уверенным, что он не обрушится.

Эти знания о вихревых токах и гистерезисе были впервые применены для создания коллекторных (щёточных) двигателей переменного тока, очень похожих на их аналоги постоянного тока. Сегодня это лишь небольшая категория двигателей переменного тока. Инженеры изобрели различные новые типы двигателей переменного тока, мало напоминающих своих собратьев постоянного тока.

См.также

Внешние ссылки