Электроника:Переменный ток/Двигатели переменного тока/Коллекторные 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: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Коллекторные двигатели переменного тока[1]

После прибытия в Америку, Чарльз Протеус Штейнмец первым делом занялся исследованием проблем, возникших при разработке щёточного коллекторного двигателя переменного тока. Ситуация была настолько плачевной, что не получалось спроектировать работающие двигатели.

Хорош ли плох ли двигатель – неясно, пока он не будет фактически построен и испытан. Во время своих исследовательских изысканий Штейнмец сформулировал законы магнитного гистерезиса. Гистерезис – это отставание напряжённости магнитного поля от силы намагничивания. Это приводит к специфическим потерям, которых нет в магнитах постоянного тока.

Сплавы с низким гистерезисом и разделение сердечника на тонкие изолированные пластины позволяют точно проектировать коллекторные двигатели переменного тока перед их сборкой.

Коллекторные двигатели переменного тока, как и сопоставимые с ними двигатели постоянного тока, имеют более высокий пусковой момент и более высокую скорость, чем асинхронные двигатели переменного тока.

Электродвигатель с последовательным возбуждением имеет гораздо более высокую синхронную скорость по сравнению с обычным двигателем переменного тока. Коллекторные двигатели переменного тока могут быть однофазными или многофазными. Двигатель с однофазным переменным током испытывает пульсацию крутящего момента с двойной частотой сети, которой нет в многофазном двигателе.

Поскольку коллекторный двигатель способен работать на гораздо более высокой скорости, чем сопоставимый по размерам асинхронный двигатель, он является более мощным. Однако неприхотливые асинхронные двигатели проще обслуживать, чем коллекторные двигатели, в которых изнашиваются щётки и сами коллекторы.

Однофазный двигатель последовательного возбуждения

Если двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением с расслоённым полем, подключить к переменному току, запаздывающий реактанс катушки возбуждения значительно снизит ток возбуждения. Пока такой мотор вращается, двигатель работает на пределе.

При запуске обмотки якоря, подключённые к закороченным щётками сегменты коммутатора, выглядят как закороченные витки трансформатора. Это приводит к значительному дугообразованию и искрению на щётках, когда якорь начинает вращаться.

Это меньшая проблема, так как скорость увеличивается, что приводит к уменьшению дуги и искры между сегментами коммутатора. Запаздывающее реактивное сопротивление и дуговые щётки допустимы только в очень маленьких нескомпенсированных двигателях переменного тока, работающих на высокой скорости. Двигатели переменного тока с последовательным возбуждением, которые меньше ручной дрели и кухонного миксера, могут вообще не иметь компенсации:

Рис. 1. Двигатель переменного тока с последовательным возбуждением без компенсации.

Двигатель последовательного возбуждения с компенсацией

Можно смягчить образование дуги и искрение если разместить компенсирующие обмотки статора последовательно с якорем, расположив так, чтобы его магнитодвижущая сила (МДС) компенсировала МДС переменного тока якоря. Если уменьшить воздушный зазор двигателя и количество витков возбуждения, то это снизит последовательное реактивное сопротивление запаздывания, а якорь улучшит коэффициент мощности. Все коллекторные двигатели переменного тока, разве что кроме самых маленьких, имеют компенсирующие обмотки. В двигателях такого размера, как в кухонных смесителях (или в чуть более крупных), используются компенсированные обмотки статора.

Рис. 2. Двигатель переменного тока с последовательным возбуждением с компенсацией.

Универсальный двигатель

Можно спроектировать небольшие (менее 300 Вт) универсальные двигатели, работающие хоть от постоянного хоть от переменного тока. Миниатюрные универсальные двигатели могут вообще не компенсироваться. В более мощных универсальных двигателях с большей скоростью используется компенсирующая обмотка.

Двигатель будет работать медленнее на переменном токе, чем на постоянном, из-за реактивного сопротивления переменного тока. Однако пики синусоидальных волн насыщают магнитный путь, уменьшая общий поток ниже значения постоянного тока, увеличивая скорость «последовательного» двигателя.

Таким образом, эффекты смещения приводят к почти постоянной скорости от постоянного тока до 60 Гц. Небольшие линейные устройства (дрели, пылесосы, миксеры и пр.), требующие от 3000 до 10 000 об./мин., используют универсальные двигатели.

Однако развитие твердотельных выпрямителей и недорогих постоянных магнитов делает двигатель постоянного тока с постоянными магнитами вполне жизнеспособной альтернативой.

Репульсионный двигатель

В репульсионном двигателе поле непосредственно подключено к напряжению переменного тока, и пара закороченных щёток компенсирует от 15° до 25° от оси поля. Поле индуцирует ток в закороченном якоре, магнитное поле которого противоположно полю катушек возбуждения.

Скорость можно контролировать, вращая щётки относительно оси поля. Этот двигатель имеет превосходную коммутацию ниже синхронной скорости и меньшую коммутацию выше синхронной скорости. Низкий пусковой ток обеспечивает высокий пусковой момент.

Рис. 3. Репульсионный двигатель переменного тока

Асинхронный двигатель с репульсионным пуском

Когда асинхронный двигатель приводит в движение жёсткую пусковую нагрузку, такую как компрессор, может использоваться высокий пусковой момент репульсионного двигателя. Обмотки ротора асинхронного двигателя выведены на сегменты коммутатора для запуска парой закороченных щёток.

На скорости, близкой к рабочей, центробежный переключатель закорачивает все сегменты коммутатора, создавая эффект короткозамкнутого ротора. В этот момент можно поднимать щётки, продлевая срок их службы. Пусковой крутящий момент составляет от 300% до 600% от значения полной скорости по сравнению с менее чем 200% для чисто асинхронного двигателя.

Итог

  • Однофазный двигатель с последовательным возбуждением – это попытка построить коллекторный двигатель. Полученное устройство практично, но только если речь идёт о небольших размерах.
  • Если добавить компенсирующую обмотку, то это будет двигатель с последовательным возбуждением с компенсацией, в котором искрение коллектора не будет чрезмерным. Большинство коллекторных двигателей переменного тока относятся к этому типу. На высокой скорости этот двигатель обеспечивает бо́льшую мощность, чем асинхронный двигатель того же размера, но асинхронные двигатели гораздо проще в обслуживании.
  • Можно производить небольшие универсальные двигатели для бытовых приборов с питанием от переменного или постоянного тока.
  • Линия переменного тока напрямую подключена к статору репульсионного двигателя, а коллектор закорочен щётками.
  • Убирающиеся закороченные щётки могут запустить асинхронный двигатель с фазным ротором. Это устройство известно как асинхронный двигатель с репульсионным запуском.

См.также

Внешние ссылки