Электроника:Переменный ток/Многофазные цепи переменного тока/Устройство многофазного двигателя

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.


Устройство многофазного двигателя[1]

Двигатели переменного тока

Возможно, наиболее важным преимуществом многофазного переменного тока по сравнению с однофазным является удачное устройство и рабочие процессы двигателей переменного тока. Как мы узнали из самой первой главы этой книги, некоторые типы двигателей переменного тока практически идентичны по конструкции своим альтернаторным аналогам (генераторам), состоящим из неподвижных проволочных обмоток и вращающегося магнита. (Другие конструкции двигателей переменного тока не так просты, но эти детали мы оставим для последующих уроков).

Рис. 1. Рабочий процесс двигателя переменного тока (магнит вращается по часовой стрелке).

Вращающийся магнит способен поддерживать частоту переменного тока, питающего обмотки (катушки) электромагнита, если он будет продолжать вращаться по часовой стрелке (как на рисунке выше).

Однако вращение вала по часовой стрелке – не единственное допустимое направление. С тем же успехом на него можно было бы подавать питание для вращения против часовой стрелки, для чего понадобилась бы такая же волна переменного напряжения:

Рис. 2. Двигатель переменного тока вращает магнит против часовой стрелки.

Пусковые двигатели переменного тока

Обратите внимание, что при вращении магнитного ротора в любом направлении, наблюдается одинаковая последовательность циклов полярности (периоды те же – напряжение, ток и магнитные полюса, создаваемые катушками).

Это общая черта любых однофазных «индукционных» и «синхронных» двигателей переменного тока: у них нет единственно «правильного» направления вращения. Возникает естественный вопрос: как запустить двигатель в конкретно заданном направлении, если оба направления равнозначны?

Ответ заключается в том, что для запуска этих двигателей требуется небольшая помощь извне. Если раскрутить в определённом направлении, то в дальнейшем будут продолжаться вращение выбранным образом, пока на обмотки подаётся переменный ток.

Могут быть разные источники этого первоначального «толчка» для однофазного двигателя переменного тока, чтобы запуститься и работать в нужном направлении.

Обычно запуск обеспечивает дополнительный набор обмоток, расположенный отдельно от основного набора и питаемый переменным напряжением, не совпадающим по фазе с основным источником питания:

Рис. 3. Двухфазный двигатель переменного тока с однонаправленным пуском.

Эти дополнительные катушки обычно подключаются последовательно с конденсатором, чтобы ввести фазовый сдвиг тока между двумя наборами обмоток:

Рис. 4. Сдвиг фаз за счёт конденсатора, добавляющего вторую фазу.

Этот фазовый сдвиг создаёт магнитные поля от катушек 2a и 2б, которые в равной степени не совпадают с полями от катушек 1a и 1б.

В результате получается набор магнитных полей с определённым чередованием фаз. Именно это чередование фаз тянет вращающийся магнит в определённом направлении.

Запуск многофазных электродвигателей переменного тока

Многофазные двигатели переменного тока не требуют таких ухищрений, чтобы вращаться в определённом направлении. Поскольку их волны напряжения уже имеют определённый период, та же самая цикличность характерна и для соответствующих магнитных полей, создаваемых неподвижными обмотками двигателя.

Фактически, сочетание всех трёх наборов фазных обмоток, работающих в унисон, создаёт то, что часто называют вращающимся магнитным полем. Именно эта концепция вращающегося магнитного поля вдохновила Николу Тесла на разработку первых в мире многофазных электрических систем (именно с целью создания более простых и эффективных двигателей).

Позже были обнаружены линейный ток и преимущества многофазного питания по сравнению с однофазным.

Аналогия с линейными гирляндами

То, что может сбивать с толку, становится намного понятнее с помощью аналогии.

Вы когда-нибудь видели ряды мигающих лампочек, которые используются в рождественских украшениях? Иногда в гирляндах наблюдается эффект «движения» света в определённом направлении, поскольку лампочки поочередно загораются и гаснут. Иные гирлянды просто мигают, а эффекта «движения» нет. В чём разница между двумя типами гирлянд?

Ответ: в фазовом сдвиге!

Взгляните на цепочку, в которой в любой момент времени горит каждая вторая лампочка:

Рис. 5. Последовательность фаз 1-2-1-2: кажется, что свет «движется». Но в какую сторону он движется?

Когда все лампочки «1» зажжены, лампочки «2» погашены, и наоборот. При таком последовательном мигании нет чётко заданного «движения» для света лампочек.

Ваши глаза могут следить за «движением» как слева-направо, так и справа-налево. Технически, последовательности мигания лампочек «1» и «2» сдвинуты по фазе на 180° (точно напротив друг друга).

Это аналог однофазного двигателя переменного тока, который так же легко может работать в любом направлении, но не может запускаться сам по себе, потому что его магнитное поле не имеет чётко заданного направления «вращения».

Теперь давайте рассмотрим гирлянду с тремя (а не двумя) наборами лампочек, подключённых последовательно, и эти три набора одинаково не совпадают по фазе друг с другом:

Рис. 6. Последовательность фаз: 1-2-3: кажется, что лампочки движутся именно слева-направо, но не наоборот.

Если последовательность освещения «1-2-3», а не «1-2», создаётся впечатление, что лампочки «бегут» слева-направо и уж точно не «справа-налево».

Аналогия с круговыми гирляндами

Теперь представим эту мигающую цепочку лампочек, расположенных в виде круга:

Рис. 7. Круговое расположение; кажется, что огни «вращаются» по часовой стрелке.

Теперь огни кажутся «движущимися» по часовой стрелке, потому что они расположены вдоль окружности, а не по прямой.

Немудрено, что движение изменится на противоположное, если последовательность фаз лампочек будет обратной.

Мигающий паттерн будет перемещаться по часовой стрелке или против часовой стрелки в зависимости от конкретной последовательности фаз.

Это аналогично трёхфазному двигателю переменного тока с тремя наборами обмоток, питаемых источниками напряжения с тремя различными фазами:

Рис. 8. Трёхфазный двигатель переменного тока: последовательность фаз 1-2-3 вращает магнит по часовой стрелке, 3-2-1 вращает магнит против часовой стрелки.

При фазовых сдвигах менее 180° мы получаем именно вращение магнитного поля, а не просто пересменку в две противоположные стороны. В однофазных двигателях вращающееся магнитное поле, необходимое для самозапуска, должно создаваться посредством ёмкостного фазового сдвига. В многофазных двигателях необходимые фазовые сдвиги уже есть.

Кроме того, направление вращения вала многофазных двигателей очень легко изменить: просто поменяйте местами любые два «горячих» провода, идущих к двигателю, и он закружится в противоположном направлении!

Итог

  • «Индукционные» и «синхронные» двигатели переменного тока работают за счёт того, что вращающийся магнит следует за переменными магнитными полями, создаваемыми неподвижными проволочными обмотками.
  • Однофазные двигатели переменного тока этого типа нуждаются в том, чтобы их подтолкнули извне, в результате чего начинается вращение в соответствующем направлении.
  • Вводя фазовый сдвиг менее 180° в магнитные поля в таком двигателе, можно задать конкретное направление вращения вала.
  • В однофазных асинхронных двигателях часто используется вспомогательная обмотка, соединённая последовательно с конденсатором для создания необходимого фазового сдвига.
  • Многофазные двигатели в таких мерах не нуждаются; их направление вращения определяется последовательностью фаз напряжения, от которого они питаются.
  • Если поменять местами любые два «горячих» провода на многофазном двигателе переменного тока, то его чередование фаз изменится на противоположное, тем самым изменив направление вращения вала.

См.также

Внешние ссылки