Электроника:Переменный ток/Двигатели переменного тока/Многофазные асинхронные двигатели Теслы

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.


Многофазные асинхронные двигатели Теслы[1]

Большинство двигателей переменного тока являются асинхронными. Асинхронные двигатели пользуются популярностью из-за их прочности и простоты. Фактически, 90% промышленных двигателей – это асинхронные двигатели.

Никола Тесла разработал основные принципы многофазного асинхронного двигателя в 1883 году и к 1888 году создал модель мощностью в половину лошадиной силы (400 Вт). Тесла продал права на производство Джорджу Вестингаузу за 65 000 долларов.

Большинство крупных (> 1 л.с. или более 1 кВт) промышленных двигателей – это многофазные асинхронные двигатели. Под многофазностью подразумевается, что статор содержит несколько различных обмоток на каждый полюс двигателя, приводимых в действие соответствующими сдвинутыми во времени синусоидальными волнами.

На практике это две-три фазы. Крупные промышленные двигатели трёхфазные. Хотя ради простоты в этом разделе в основном используются иллюстрации двухфазных двигателей, стоит подчеркнуть, что почти все многофазные двигатели являются трёхфазными.

Под асинхронностью двигателя подразумевается, что обмотки статора индуцируют ток в проводниках ротора, как трансформатор, в отличие от коллекторного (щёточного) двигателя постоянного тока, где на ротор подаётся ток.

Конструкция асинхронного двигателя переменного тока

Асинхронный двигатель состоит из ротора, являющийся якорем, и статора, содержащего обмотки, подключённые к многофазному источнику энергии, как показано на рисунке ниже. Простой двухфазный асинхронный двигатель, представленный ниже, похож на двигатель мощностью ½ лошадиные силы, который Никола Тесла представил в 1888 году.

Рис. 1. Многофазный асинхронный двигатель Теслы.

Статор на рисунке обмотан парами катушек, соответствующих фазам имеющейся электрической энергии. Статор двухфазного асинхронного двигателя имеет 2 пары катушек, по одной паре для каждой из двух фаз переменного тока.

Отдельные пары катушек соединены последовательно и соответствуют противоположным полюсам электромагнита. То есть одна катушка соответствует «северному» полюсу, другая – «южному», пока фаза переменного тока не изменит полярность. Другая пара катушек ориентирована в пространстве под углом 90° к первой паре.

Эта пара катушек подключена к переменному току, сдвинутому во времени на 90° (если двигатель двухфазный). Во времена Теслы источником двух фаз переменного тока был двухфазный генератор переменного тока.

Статор на рисунке выше имеет явно выступающие полюса, как и в ранних асинхронных двигателях Теслы. Эта конструкция используется по сей день для двигателей с малой мощностью (< 50 Вт). Однако в современных более мощных двигателях меньшая пульсация крутящего момента и более высокий КПД, так как катушки встроены в пазы, вырезанные в пластинах статора:

Рис. 2. Рама статора с пазами для обмоток.

Пластины статора – тонкие изолированные кольца с прорезями, созданные методом высечки из листовой электротехнической стали. Набор колец закреплён концевыми винтами, которые также могут удерживать концевые кожухи.

Рис. 3. Статор с обмотками: (а) 2-φазный; (б) 3-φазный.

На рисунке обмотки двухфазного и трёхфазного двигателей установлены в пазы статора. Катушки наматываются на внешнее приспособление, а затем вставляются в пазы. Изоляция, зажатая между периферией катушки и пазом, защищает от истирания.

На самом деле фактические обмотки статора более сложные, чем отдельные обмотки на полюсах как на рисунке выше. Если сравнить 2-φазный двигатель с 2-φазным двигателем Теслы с явными полюсами, то количество катушек такое же. В реальных больших двигателях обмотка полюса разделена на идентичные катушки, вставленные во множество пазов меньшего размера, чем указано выше.

Эта группа обмоток называется фазовым поясом (см. рисунок ниже). Распределённые катушки фазового пояса подавляют некоторые нечётные гармоники, создавая более синусоидальное распределение магнитного поля по полюсу. Это показано во 2-м разделе, где мы разбирались с синхронным двигателем.

В прорезях на краю стойки может быть меньше витков, чем в других прорезях. Краевые пазы могут одновременно содержать обмотки от двух фаз. То есть фазовые пояса перекрываются.

Рис. 4. Фазовые пояса, перекрывающие друг друга.

Ключом к популярности асинхронного двигателя переменного тока является его простота, о чём свидетельствует простой ротор (рисунок ниже). Ротор состоит из вала, стального пластинчатого ротора и встроенного медного или алюминиевого барабана со спицами (его ещё называют «беличьим колесом» или «беличьей клеткой», за внешнее сходство с этим тренажёром для грызунов), показанный на части (б) рисунка 5, на котором изображён каркас этого типа, снятый с ротора.

По сравнению с якорем двигателя постоянного тока, здесь нет коммутатора. Как следствие, здесь не нужны щётки, отсутствуют такие побочные эффекты как искрение, графитовая пыль, нет надобности в регулировке и замене щёток, а также не требуются повторные обработки коллектора.

Рис. 5. Пластинчатый ротор: (а) ротор, с встроенным «беличьим колесом», (б) токопроводящая клетка типа «беличье колесо», снятая с ротора.

Проводники-спицы на короткозамкнутом роторе могут быть специально «перекошены», скручены относительно вала. Несоосность (непараллельность оси) пазов статора снижает пульсации крутящего момента.

Сердечники как ротора, так и статора состоят из набора изолированных пластин. Пластины покрыты изолирующим оксидом или лаком для минимизации потерь на вихревые токи. Состав сплава пластин выбирается из соображений низких гистерезисных потерь.

Теория асинхронных двигателей

Если кратко объяснить принцип действия: статор создаёт вращающееся магнитное поле, которое волочит ротор.

Теория асинхронных двигателей основана на вращающемся магнитном поле. Один из способов создания вращающегося магнитного поля – вращение постоянного магнита. Если движущиеся магнитные линии потока проходят сквозь проводящий диск, он следует туда, куда его увлекает магнитное поле.

Линии магнитного потока, проходящие сквозь проводник, индуцируют напряжение и, как следствие, возникает ток в проводящем диске. Этот поток тока создаёт электромагнит, полярность которого противодействует движению постоянного магнита – в соответствии с законом Ленца.

Полярность электромагнита такова, что он притягивается к постоянному магниту. Диск следует с немного меньшей скоростью, чем постоянный магнит.

Рис. 6. Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске.

Крутящий момент, развиваемый диском, пропорционален количеству силовых линий, «прорезающих» диск, и скорости, с которой он «разрезает» диск. Если бы диск вращался с той же скоростью, что и постоянный магнит, не было бы ни проникающего сквозь диск потока, ни индуцированного тока, ни электромагнитного поля, ни крутящего момента.

Таким образом, скорость диска всегда будет ниже скорости вращающегося постоянного магнита, так что линии потока, «разрезающие» диск, индуцируют ток, создают электромагнитное поле в диске, которое следует за постоянным магнитом.

Если к диску приложена нагрузка, замедляющая его, будет развиваться больший крутящий момент, поскольку больше линий магнитного потока проходят сквозь диск. Крутящий момент пропорционален скольжению (степени отставания диска от вращающегося магнита). Большее скольжение соответствует большему потоку, «прорезающему» проводящий диск, тем самым создавая больший крутящий момент.

В основе аналогового автомобильного вихретокового спидометра лежит принцип, проиллюстрированный выше. Когда диск удерживается пружиной, отклонение диска и иглы пропорционально скорости вращения магнита.

Вращающееся магнитное поле создаётся двумя катушками, расположенными под прямым углом друг к другу, и приводится в действие токами, которые не совпадают по фазе на 90°. Это не должно вызывать удивления, если вы видели соответствующую фигуру Лиссажу́ на осциллографе.

Рис. 7. В противофазе (90°) синусоидальные волны создают фигуру Лиссажу́ в виде окружности.

На приведённом выше рисунке округлая фигура Лиссажу́ получается путём подачи на входы осциллографа горизонтального и вертикального сдвига по фазе синусоидальных волн на 90°. Начиная с (а) с максимальным отклонением по оси «X» и минимальным по оси «Y», след перемещается вверх и влево в направлении (б).

Пиковые значения между точками (а) и (б) обеих волн одинаковы: VПик = 0,707 при фазовом угле 45°. Эта точка (0,707, 0,707) попадает на радиус окружности между (a) и (б). Далее трассировка перемещается в (б) с минимальным отклонением по оси «X» и максимальным отклонением по оси «Y». При максимальном отрицательном отклонении по оси «X» и минимальном отклонении оси «Y» трассирующий след перемещается в точку (в).

Затем с минимальным значением по «X» и максимально отрицательным по «Y» происходит переход в точку (г), а затем обратно в (а), завершая один полный цикл.

Рис. 8. Синусоида по оси «X» и косинусоида по оси «Y» вместе рисуют фигуру Лиссажу́ в виде окружности.

На этом рисунке показаны две синусоидальные волны с фазовым сдвигом на 90°, приложенные к отклоняющим (вертикальным и горизонтальным) пластинам осциллографа, расположенных под прямым углом в пространстве. Комбинация фазированных синусоидальных волн на 90° и отклонения под прямым углом дает двумерный узор – окружность. Этот круг очерчен электронным лучом, вращающимся против часовой стрелки.

Для справки на рисунке ниже показано, почему синфазные синусоидальные волны не образуют круговой диаграммы. Равное отклонение по оси «X» и оси «Y» перемещает световое пятно из исходной точки (а) вправо (1,1) в точку (б), затем назад вниз-влево к исходной точке (в), потом вниз-влево до (-1, -1) в точке (г) и обратно в исходное положение. Линия получается с равными прогибами по обеим осям; y = x, т.е. итоговый вид – прямой отрезок:

Рис. 9. При синфазных сигналах круговое движение не наблюдается.

Если пара синусоидальных волн, сдвинутых на 90° по фазе, создаёт округлую фигуру Лиссажу́, подобная пара токов должна создавать круговое вращающееся магнитное поле. Так обстоит дело с двухфазным двигателем. По аналогии, три обмотки, разнесённые в пространстве на 120° друг от друга и питаемые соответствующими фазными токами 120°, также будут создавать вращающееся магнитное поле.

Рис. 10. Вращающееся магнитное поле за счёт фазированных синусоидальных волн под углом 90°.

По мере того, как синусоидальные волны с фазовым углом 90°, показанные на рисунке выше, развиваются от точек (а) до точки (г), магнитное поле вращается против часовой стрелки (рисунки от 10.а до 10.г) следующим образом:

  • (а) Ф-1 – максимум, Ф-2 ноль.
  • (а') Ф-1 – 70%, Ф-2 – 70%.
  • (б) Ф-1 – ноль, Ф-2 – максимум.
  • (в) Ф-1 – максимально отрицательный, Ф-2 – ноль.
  • (г) Ф-1 – ноль, Ф-2 – максимально отрицательный.

Полная скорость двигателя и скорость синхронного двигателя

Скорость вращения вращающегося магнитного поля статора зависит от количества пар полюсов на каждую фазу статора. На приведённом ниже рисунке «полную скорость» обеспечивают всего шесть полюсов или три пары полюсов на три фазы. Однако на каждую отдельную фазу приходится только одна пара полюсов.

Магнитное поле будет вращаться один раз за каждый цикл синусоидальной волны. В случае мощности 60 Гц поле вращается со скоростью 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту (об./мин.). При мощности 50 Гц он вращается со скоростью 50 оборотов в секунду или 3000 об./мин. 3600 и 3000 об./мин. – это синхронные скорости двигателя.

Хотя ротор асинхронного двигателя никогда не достигает этой скорости, это определённо верхний предел. Если мы удвоим количество полюсов двигателя, синхронная скорость сократится вдвое, потому что магнитное поле повернётся на 180° в пространстве для 360° электрической синусоидальной волны.

Рис. 11. Удвоение полюсов статора уменьшает синхронную скорость вдвое.

Синхронная скорость определяется по формуле:

Ns = 120 · f / P

Где:

Ns = синхронная скорость в об./мин.
f = частота подаваемой мощности (Гц)
P = общее количество полюсов на фазу, кратное 2
Пример: На приведённом выше рисунке «половинная скорость» достигается,
потому что на фазу приходится четыре полюса (и всего 3 фазы).
Синхронная скорость для мощности 50 Гц составляет: S = 120 · 50 / 4 = 1500 об./мин.

Утрированное объяснение асинхронного двигателя: создаваемое статором вращающееся магнитное поле тащит за собой ротор.

Более подробное (и более корректное) объяснение: магнитное поле статора индуцирует переменный ток в проводниках короткозамкнутого ротора, которые составляют вторичную обмотку трансформатора. Этот индуцированный ток ротора, в свою очередь, создаёт магнитное поле.

Магнитное поле вращающегося статора взаимодействует с этим полем ротора. Поле ротора пытается выровняться с полем вращающегося статора. Результат – вращение короткозамкнутого ротора. Если бы не было механической нагрузки крутящего момента двигателя, подшипников, сопротивления ветра или других потерь, ротор вращался бы с синхронной скоростью.

Однако скольжение (отставание) между ротором и полем статора, движущимися на синхронной скорости развивает крутящий момент. Именно магнитный поток, проходящий сквозь проводники ротора при его скольжении, создаёт крутящий момент. Таким образом, нагруженный двигатель будет скользить пропорционально механической нагрузке.

Если бы ротор работал с синхронной скоростью, не было бы потока статора, «разрезающего» ротор, не было бы тока, индуцированного в роторе, не было бы крутящего момента.

Крутящий момент в асинхронных двигателях

Когда питание подаётся на двигатель впервые, ротор находится в состоянии покоя, а магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью Ns. Вращающееся магнитное поле статора «прорезает» ротор с синхронной скоростью Ns. Ток, индуцированный в закороченных витках ротора, является максимальным, как и частота тока, т.е. частота электрической сети.

По мере увеличения скорости ротора скорость, с которой магнитный поток статора «прорезает» ротор, представляет собой разницу между синхронной скоростью Ns и фактической скоростью N ротора, или Ns - N. Отношение фактического потока, «разрезающего» ротор, к синхронной скорости определяется как скольжение:

s = (Ns - N) / Ns,

где:

s = скольжение,
Ns = синхронная скорость,
N = скорость ротора.

Частота тока, индуцируемого в проводниках ротора, равна только частоте сети при пуске двигателя и уменьшается по мере приближения ротора к синхронной скорости. Частота ротора определяется по формуле:

fr = s · f

где:

fr = частота ротора,
s = скольжение,
f = частота статора в линии питания.

Скольжение при 100% крутящем моменте обычно составляет 5% (или меньше) в асинхронных двигателях. Таким образом, для частоты сети f = 50 Гц частота наведённого тока в роторе fr = 0,05 · 50 = 2,5 Гц. Почему он такой низкий? Магнитное поле статора вращается с частотой 50 Гц. Скорость вращения ротора на 5% меньше.

Вращающееся магнитное поле «режет» ротор только с частотой 2,5 Гц. 2,5 Гц – это разница между синхронной скоростью и фактической скоростью ротора. Если ротор вращается немного быстрее при синхронной скорости, никакой магнитный поток не будет «резать» ротор вообще, ибо fr = 0.

Рис. 12. Крутящий момент и скорость зависят от того, какой % скольжения составляет от Ns (синхронной скорости).

На рисунке выше показано, что пусковой момент, известный как крутящий момент блокировки ротора (КМБР), превышает 100% крутящего момента полной нагрузки (КМПН), безопасного продолжительного крутящего момента. КМБР составляет около 175% от КМПН для приведённого выше примера двигателя.

Пусковой ток, известный как ток блокировки ротора (ТБР), составляет 500% от тока полной нагрузки (ТПН), безопасного рабочего тока. Ток большой, потому что это аналог закороченной вторичной обмотки трансформатора. Когда ротор начинает вращаться, крутящий момент может немного уменьшиться для определённых классов двигателей до значения, известного как тяговый крутящий момент.

Это самое низкое значение крутящего момента, с которым когда-либо сталкивается пусковой двигатель. Когда ротор набирает 80% синхронной скорости, крутящий момент увеличивается со 175% до 300% крутящего момента полной нагрузки. Крутящий момент пробоя вызывается бо́льшим, чем обычно, 20% скольжением.

Сила тока до этого момента уменьшается лишь незначительно, но вот после будет быстро спадать. Когда ротор ускоряется с точностью до нескольких процентов от синхронной скорости, как крутящий момент, так и ток значительно уменьшаться. При нормальной работе скольжение будет составлять всего несколько процентов.

Для работающего двигателя любой участок кривой крутящего момента, который ниже 100% номинального крутящего момента, является нормальным. Нагрузка двигателя определяет рабочую точку на кривой крутящего момента. В то время как крутящий момент и ток двигателя могут превышать 100% в течение нескольких секунд во время запуска, продолжительная работа выше 100% может привести к повреждению двигателя.

Любой крутящий момент нагрузки двигателя, превышающий крутящий момент пробоя, приведёт к остановке двигателя. Крутящий момент, скольжение и ток будут приближаться к нулю в условиях нагрузки «без механического крутящего момента». Это состояние аналогично разомкнутому вторичному трансформатору.

Существует несколько основных конструкций асинхронных двигателей, где кривая крутящего момента значительно отличаются от той, что приведена на рисунке выше. Различные конструкции оптимизированы для запуска и работы с различными типами нагрузок. Крутящий момент блокировки ротора (КМБР) для двигателей различных конструкций и размеров находится в диапазоне от 60% до 350% крутящего момента полной нагрузки (КМПН).

Пусковой ток или ток блокировки ротора (ТБР) может находиться в диапазоне от 500% до 1400% от тока полной нагрузки (ТПН). Этот потребляемый ток может вызвать проблемы с запуском больших асинхронных двигателей.

Классы двигателей NEMA и IEC

Различные стандартные классы (принципиальные конструкции) двигателей, соответствующие кривым крутящего момента (рисунок ниже) разработаны для лучшего управления нагрузками различных типов. Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA т.е. National Electrical Manufacturers Association) определила классы двигателей A, B, C и D для удовлетворения этих требований к приводам.

Аналогичные классы N и H, разработанные Международной электротехнической комиссией (IEC т.е. International Electrotechnical Commission) соответствуют конструкциям NEMA маркированных как B и C соответственно.

Рис. 13. Характеристики для проектов NEMA.

Все двигатели, за исключением класса D, работают со скольжением 5% или менее при полной нагрузке.

  • Двигатели класса B (IEC класс N) используются по умолчанию в большинстве приложений. При пусковом моменте блокировки ротора ПМБР = от 150% до 170% от ПМПН он может запускать большинство нагрузок без чрезмерного пускового тока блокировки ротора (ТБР). КПД и коэффициент мощности высокие. Обычно он приводит в действие насосы, вентиляторы и станки.
  • Пусковой крутящий момент класса A такой же, как и у класса B. Пусковой момент и пусковой ток (ТБР) выше. Этот двигатель справляется с кратковременными перегрузками, которые встречаются в оборудовании для литья под давлением.
  • Класс C (IEC класс H) имеет более высокий пусковой момент, чем классы A и B при ПМБР = 200% от ПМПН. Этот двигатель применяется для тяжёлых пусковых нагрузок, которые необходимо приводить в действие с постоянной скоростью, таких как конвейеры, дробилки, поршневые насосы и компрессоры.
  • Двигатели класса D имеют самый высокий пусковой момент (ПМБР) в сочетании с низким пусковым током из-за высокого скольжения (от 5% до 13% при ПМПН). Высокое скольжение приводит к более низкой скорости. Регулировка скорости плохая. Тем не менее, двигатель отлично справляется с нагрузками с переменной скоростью, например с маховиком для аккумулирования энергии. Применяется в пробивных прессах, электроножницах по металлу и элеваторах.
  • Двигатели класса E – это более эффективная версия класса B.
  • Двигатели класса F имеют гораздо более низкие ПТБР, ПМБР и крутящий момент пробоя, чем двигатели класса B. Они управляют постоянными, легко запускаемыми нагрузками.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели представляют для линии электропередач отстающий (индуктивный) коэффициент мощности. Коэффициент мощности больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателей может достигать 90%. При ¾ полной нагрузки максимальный коэффициент мощности высокоскоростного двигателя может составлять 92%.

Коэффициент мощности малых тихоходных двигателей может составлять всего 50%. При запуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, увеличиваясь по мере увеличения скорости ротора.

Коэффициент мощности (КМ) значительно зависит от механической нагрузки двигателя (рисунок ниже). Ненагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичной обмотке. Небольшое сопротивление отражается от вторичной обмотки (ротора) к первичной обмотке (статору).

Таким образом, в линии электропередачи присутствует реактивная нагрузка до 10% коэффициента мощности. Когда ротор нагружен, возрастающая резистивная составляющая отражается от ротора к статору, увеличивая коэффициент мощности.

Рис. 14. Коэффициент мощности и КПД асинхронного двигателя.

КПД асинхронных двигателей

Большие трёхфазные двигатели более эффективны, чем трёхфазные двигатели меньшего размера и почти все однофазные двигатели. КПД большого асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя чаще встречается 90%.

Эффективность малонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя низкая, потому что большая часть тока связана с поддержанием намагничивающего потока. Когда нагрузка крутящего момента увеличивается, больше тока потребляется для создания крутящего момента, в то время как ток, связанный с намагничиванием, остается фиксированным. Эффективность при 75% тока полной нагрузки (ТПН) может быть немного выше, чем при 100% ТПН.

Эффективность снижается на несколько процентов при ТПН = 50% и снижается еще на несколько процентов при ТПН = 25%. Эффективность становится низкой только ниже 25% ТПН. Изменение КПД в зависимости от нагрузки показано на рисунке выше.

Асинхронные двигатели, как правило, имеют рабочие характеристики «с запасом», чтобы их механическая нагрузка гарантировано могла быть запущена и приведена в действие при любых условиях эксплуатации. Если многофазный двигатель нагружен менее 75% номинального крутящего момента, когда КПД достигает пика, КПД снижается лишь незначительно до 25% ТПН.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА предложил корректор коэффициента мощности (ККМ) в качестве энергосберегающего устройства для однофазных асинхронных двигателей в конце 1970-х годов. Он основан на предположении, что асинхронный двигатель с неполной нагрузкой менее эффективен и имеет меньший коэффициент мощности, чем двигатель с полной нагрузкой. Таким образом, можно сэкономить энергию в частично загруженных двигателях, в частности, в 1-φазных двигателях.

Энергия, потребляемая для поддержания магнитного поля статора, относительно фиксирована по отношению к изменениям нагрузки. Хотя в полностью загруженном двигателе экономить нечего, напряжение на частично загруженном двигателе можно уменьшить, чтобы уменьшить энергию, необходимую для поддержания магнитного поля.

Это повысит коэффициент мощности и эффективность. Это была хорошая концепция для заведомо неэффективных однофазных двигателей, для которых она предназначалась.

Эта концепция не особо применима к большим трёхфазным двигателям. Из-за их высокого КПД (90%+) экономия энергии невелика. Более того, двигатель с КПД 95% по-прежнему имеет КПД 94% при 50%-м крутящем моменте при токе полной нагрузки (ТПН) и 90% КПД при 25% ТПН.

Потенциальная экономия энергии при переходе от 100% ТПН к 25% ТПН составляет разницу в эффективности 95% - 90% = 5%. Это не 5% мощности при полной нагрузке, а 5% мощности при пониженной нагрузке. Корректор коэффициента мощности Нола может быть применим к 3-фазному двигателю, который большую часть времени простаивает (ниже 25% ТПН), например к пробивному прессу.

Срок окупаемости дорогостоящего электронного контроллера оценён как непривлекательный для большинства применений. Тем не менее, он может быть выгоден в составе электронного пускателя двигателя или регулятора скорости.

Асинхронные двигатели в качестве генераторов переменного тока

Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если он приводится в действие крутящим моментом, превышающим 100% синхронной скорости (рисунок ниже). Это соответствует нескольким % «отрицательного» скольжения, скажем, -1%.

Это означает, что, поскольку мы вращаем двигатель быстрее, чем его синхронная скорость, ротор продвигается на 1% быстрее, чем вращающееся магнитное поле статора. Обычно он отстаёт в двигателе на 1%. Поскольку ротор «разрезает» магнитное поле статора в противоположном направлении (ротор не позади, а впереди магнитного поля), ротор индуцирует напряжение в статоре, возвращая электрическую энергию обратно в линию электропередачи.

Рис. 15. Отрицательный крутящий момент превращает асинхронный двигатель в генератор.

Такой индукционный генератор должен возбуждаться «живым» источником мощностью 50 или 60 Гц. Если произойдёт сбой в электроснабжении энергокомпании, то выработка электроэнергии будет невозможна. Так что, такой тип генератора не подходит в качестве резервного источника питания.

В том и состоит преимущество ветряного генератора вспомогательной энергии – он не требует автоматического выключателя отключения питания для защиты ремонтных бригад. Это безотказно.

Небольшие удалённые (от электросети) установки можно сделать самовозбуждающимися, разместив конденсаторы параллельно фазам статора. Если снять нагрузку, остаточный магнетизм может вызвать небольшой ток.

Этот ток может протекать через конденсаторы без рассеивания мощности. Когда генератор достигает полной скорости, ток увеличивается, чтобы подать ток намагничивания на статор. В этот момент может быть приложена нагрузка. Слабое регулирование напряжения. Асинхронный двигатель может быть преобразован в генератор с самовозбуждением путем добавления конденсаторов.

Процедура запуска заключается в доведении ветряной турбины до скорости в режиме движения путём подачи на статор нормального напряжения линии электропередачи. Любая вызванная ветром скорость турбины, превышающая синхронную, будет развивать отрицательный крутящий момент, возвращая мощность в линию электропередачи, изменяя нормальное направление электрического счётчика киловатт-часов.

В то время как асинхронный двигатель представляет запаздывающий коэффициент мощности для линии электропередачи, асинхронный генератор переменного тока представляет собой опережающий коэффициент мощности. Индукционные генераторы не получили широкого распространения на обычных электростанциях.

Скорость привода паровой турбины является постоянной и регулируемой в соответствии с требованиями синхронных генераторов переменного тока. Синхронные генераторы также более эффективны.

Скорость ветряной турбины трудно контролировать, так как скорость ветра изменяется порывами. Асинхронный генератор лучше справляется с этими колебаниями из-за собственного скольжения. Это меньше нагружает зубчатую передачу и механические компоненты, чем в синхронном генераторе.

Однако это допустимое изменение скорости составляет всего около 1%. Таким образом, индукционный генератор, подключённый к линии напрямую, считается ветряной турбиной с фиксированной скоростью (см. в следующем 8-м разделе этой главы асинхронный генератор с двойным питанием как пример истинного генератора переменного тока с регулируемой скоростью).

Несколько генераторов или несколько обмоток на общем валу можно переключать, чтобы обеспечить как высокую, так и низкую скорость, что позволяет приспособиться к изменчивому ветру.

Запуск двигателя и контроль скорости

Некоторые асинхронные двигатели могут потреблять более 1000% тока полной нагрузки во время запуска; хотя чаще встречается несколько сотен процентов. Небольшие двигатели мощностью в несколько киловатт или меньше могут запускаться путём подключения напрямую к линии электропередачи.

Запуск больших двигателей может вызвать просадку напряжения в сети, что повлияет на другие нагрузки. Автоматические выключатели, рассчитанные на запуск двигателя (аналогично плавким предохранителям с задержкой срабатывания), должны заменить стандартные автоматические выключатели для пусковых двигателей мощностью в несколько киловатт. Этот выключатель допускает токовую перегрузку во время запуска:

Рис. 16. Пускатель асинхронного двигателя автотрансформатора.

В двигателях мощностью более 50 кВт используются пускатели двигателей для некоторого снижения линейного тока (хотя всё равно будет нескольких сотен процентов от тока полной нагрузки). Автотрансформатор, работающий в режиме прерывания, может снизить напряжение статора на долю минуты в течение интервала пуска с последующим приложением полного линейного напряжения, как показано на рисунке выше.

Замыкание контактов S приводит к пониженному напряжению в течение пускового времени. Контакты S размыкаются, а контакты R замыкаются после запуска. Это снижает пусковой ток, скажем, до 200% от тока полной нагрузки. Поскольку автотрансформатор используется только в течение короткого интервала пуска, его размеры могут быть значительно меньше, чем у агрегата, работающего в непрерывном режиме.

Работа трёхфазных двигателей на однофазной сети

Трёхфазные двигатели будут работать от однофазных так же легко, как и сами однофазные двигатели. Единственная проблема для любого двигателя – это запуск. Иногда 3-фазные двигатели приобретаются для использования с однофазными, если предполагается трёхфазное питание.

Номинальная мощность должна быть на 50% больше, чем у сопоставимого однофазного двигателя, чтобы компенсировать одну неиспользуемую обмотку. Однофазное напряжение подаётся на пару обмоток одновременно с пусковым конденсатором, включённым последовательно с третьей обмоткой.

На рисунке ниже пусковой выключатель размыкается при запуске двигателя. Иногда во время работы остаётся конденсатор меньшего размера, чем пусковой.

Рис. 17. Запуск трёхфазного двигателя от однофазного.

Схема на этом рисунке для работы трёхфазного двигателя от однофазной сети известна как статический преобразователь фазы, если вал двигателя не нагружен. Кроме того, двигатель работает как трёхфазный генератор.

Трёхфазное питание может быть отведено от трёх обмоток статора для питания другого трёхфазного оборудования. Конденсатор подаёт синтетическую фазу примерно на полпути (≈ 90°) между выводами однофазного источника питания. имеющего 180° для запуска.

Во время работы двигатель генерирует примерно стандартные 3-φ, как показано выше. Мэтт Иссерштедт демонстрирует полную схему питания домашнего механического цеха:

Рис. 18. Статический преобразователь фазы с само-запуском. Рабочий конденсатор = 25-30 мкФ для 1 л.с.

Поскольку статический преобразователь фазы не имеет нагрузки по крутящему моменту, он может запускаться с конденсатором значительно меньшего размера, чем обычный пусковой конденсатор. Если он достаточно мал, его можно оставить в цепи в качестве рабочего конденсатора (см. рисунок выше).

Однако меньшие рабочие конденсаторы обеспечивают лучшую выходную трёхфазную мощность. Более того, регулировка этих конденсаторов для выравнивания токов, измеренных в трёх фазах, позволяет получить наиболее эффективную машину. Однако для быстрого запуска преобразователя требуется большой пусковой конденсатор, запускающийся примерно за 1 секунду. Вот пример такой конструкции из технической документации ирландской электротехнической компании «Ханрахан»:

Рис. 19. Более эффективный статический преобразователь фазы. Пусковой конденсатор = 50-100 мкФ на 1 л.с. Рабочие конденсаторы = 12-16 мкФ на 1 л.с. Адаптировано из изображений компании «Ханрахан».

Асинхронные двигатели с несколькими магнитными полями

Асинхронные двигатели могут содержать несколько обмоток возбуждения, например, 4-полюсную и 8-полюсную обмотку, соответствующую синхронным скоростям вращения 1800 и 900 об./мин. Подать питание на то или иное поле менее сложно, чем на повторное подключение катушек статора.

Рис. 20. Несколько полей позволяют изменять скорость.

Если поле сегментировано с выведенными отводами, его можно изменить (или переключить) с 4-полюсного на 2-полюсное, как показано выше для 2-фазного двигателя. Сегменты 22,5° переключаются на сегменты 45°. Для ясности выше показана только проводка для одной фазы.

Таким образом, наш асинхронный двигатель может работать на нескольких скоростях. При переключении вышеуказанного двигателя 60 Гц с 4 полюсов на 2 полюса синхронная скорость увеличивается с 1800 до 3600 об./мин.

Вопрос: Если двигатель приводится в движение частотой 50 Гц, каковы будут соответствующие 4-полюсные и 2-полюсные синхронные скорости?

Ответ:
Ns = 120 * f / P = 120 * 50 / 4 = 1500 об./мин. (4-полюсный)
Ns = 3000 об./мин. (2-полюсный)

Асинхронные двигатели с переменным напряжением

Скорость малых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для таких применений, как приводные вентиляторы, может быть изменена путём снижения сетевого напряжения. Это снижает крутящий момент, доступный нагрузке, что в свою очередь снижает скорость:

Рис. 21. Регулируемое напряжение регулирует скорость асинхронного двигателя.

Электронное управление скоростью в асинхронных двигателях

Современная полупроводниковая электроника расширяет возможности управления скоростью. Изменяя сетевую частоту 50 или 60 Гц на более высокие или более низкие значения, можно изменить синхронную скорость двигателя. Однако уменьшение частоты тока, подаваемого на двигатель, также снижает реактивное сопротивление XL, что увеличивает ток статора. Это может привести к насыщению магнитной цепи статора с катастрофическими последствиями. На практике напряжение на двигателе необходимо уменьшать при уменьшении частоты.

Рис. 22. Электронный частотно-регулируемый привод.

И наоборот, частота привода может быть увеличена для увеличения синхронной скорости двигателя. Однако необходимо увеличить напряжение, чтобы преодолеть увеличивающийся реактанс, дабы поддерживать ток на уровне нормального значения и поддерживать крутящий момент. Инвертор приближает синусоидальные волны к синусоидам, подходящим для двигателя с помощью выходов с широтно-импульсной модуляцией. Это прерывистый сигнал, который может быть включён или выключен, высокий или низкий, процент времени включения соответствует мгновенному напряжению синусоидальной волны.

Когда электроника применяется для управления асинхронным двигателем, становится доступно множество методов управления, от простых до сложных:

  • Скалярное управление: описанный выше недорогой метод управления только напряжением и частотой без обратной связи.
  • Векторное управление: также известно как векторное управление фазой. Компоненты тока статора, создающие магнитный поток и крутящий момент, измеряются или оцениваются в режиме реального времени для улучшения кривой крутящего момента двигателя. Это требует больших вычислений.
  • Прямое управление крутящим моментом: продуманная адаптивная модель двигателя обеспечивает непосредственное управление магнитным потоком и крутящим моментом без обратной связи. Этот метод быстро реагирует на изменения нагрузки.

Краткое описание многофазных асинхронных двигателей Теслы

  • Многофазные асинхронный двигатель состоит из многофазной обмотки, встроенной в многослойный статор и проводящей «беличьей клетке» многослойного короткозамкнутого ротора.
  • Трёхфазные токи, протекающие внутри статора, создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток и, следовательно, магнитное поле в роторе. Крутящий момент ротора развивается, когда ротор немного проскальзывает (опаздывает) за вращающимся полем статора.
  • В отличие от однофазных двигателей, многофазные асинхронные двигатели самозапускаются.
  • Пускатели двигателей минимизируют нагрузку на линию питания, обеспечивая при этом больший пусковой крутящий момент, чем требуется во время работы. Линия тока для снижения стартеров требуется только для больших двигателей.
  • Трёхфазные двигатели при запуске могут работать от однофазных.
  • Статический преобразователь фазы – это трёхфазный двигатель, работающий от одиночной фазы, не имеющий нагрузок вала, создавая 3-фазный выход.
  • Несколько обмоток возбуждения можно перемонтировать для работы с несколькими дискретными скоростями двигателя, изменив количество полюсов.

Линейные асинхронные двигатели

Обмотанный статор и короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя можно как бы «разрезать» по окружности и развернуть в линейный асинхронный двигатель. Направление линейного перемещения регулируется последовательным приводом фаз статора.

Линейный асинхронный двигатель предложен в качестве привода для высокоскоростных пассажирских поездов. До этого момента линейный асинхронный двигатель с соответствующей системой магнитной левитации, необходимой для плавного хода, остаётся слишком дорогим, и пока что используется разве что в экспериментальных прототипах.

Тем не менее, в 2013 году линейный асинхронный двигатель должен заменить паровые катапульты для запуска самолётов на авианосцах CVN(X). Это повысит эффективность и сократит объём технического обслуживания.

(20px-OOjs UI icon lightbulb-yellow.svg.pngПримечание: Основной текст книги писался в нулевых. В американской классификации для кораблей авианосных групп CVN означает атомный авианосец, X – следующее поколение, т.е. CVN(X) – атомный авианосец следующего поколения. Программа CVN(X) была позже переименована в CVN-21, т.е. атомный авианосец 21 века, а сейчас эта программа известна как Авианосцы типа «Джеральд Р. Форд»)

См.также

Внешние ссылки