Электродвигатели переменного тока условно делятся на электродвигатели с коммутатором, синхронные электродвигатели и асинхронные электродвигатели.
Синхронные и асинхронные электродвигатели – это электродвигатели переменного тока, скорость вращения которых определяется вращающимся магнитным полем.
Под вращающимся магнитным полем здесь понимается явление, при котором магнитное поле, создаваемое при подаче трехфазного, двухфазного или другого многофазного переменного тока на обмотку статора, вращается со скоростью, определяемой частотой многофазного переменного тока (= синхронная скорость). Вращающееся магнитное поле притягивает ротор, заставляя его вращаться. Электродвигатели переменного тока классифицируются по способу вращения.
Электродвигатели переменного тока с вращающимся магнитным полем (общий термин для синхронных и асинхронных электродвигателей) условно делятся на электродвигатели, работающие от напряжения 100 В переменного тока (питание, подаваемое в домашние хозяйства по двухпроводным линиям), и электродвигатели, использующие напряжение 200 В переменного тока (подаваемое на заводы и т.д. по трехпроводным линиям).
Первый называется однофазным, а второй — трехфазным электродвигателем.
В последнее время трехфазные электродвигатели чаще всего приводятся в действие схемой силового инвертора с использованием полупроводникового устройства, называемого инвертором. Цель такой конфигурации привода — обеспечить работу электродвигателя со скоростью вращения и крутящим моментом, предназначенными для конкретного применения, путем управления напряжением и частотой с помощью инвертора.
Коммутаторный электродвигатель
Коммутаторный электродвигатель – это общее описание электродвигателей с коммутаторным ротором, как показано на Рис. 1.12. В настоящее время в большом количестве используется так называемый универсальный электродвигатель (также называемый электродвигателем серии переменного тока или электродвигателем с последовательной обмоткой).
Основное применение этого электродвигателя — пылесосы, электроинструменты и соковыжималки. Другими словами, он используется там, где от электродвигателя требуется высокая скорость вращения за счет использования однофазного источника переменного тока.
Слово «универсальный» здесь подразумевает, что электродвигатель вращается от сети переменного или постоянного тока (то есть это электродвигатель AC/DC).
В принципе, он имеет ту же структуру, что и электродвигатели серии DC, но при использовании переменного тока необходимо учитывать следующие моменты:
Имеет обмотку и коммутатор, состоящий из нескольких медных пластин.
<1> В случае постоянного тока поток статора постоянен, а в случае переменного тока он меняется. Поэтому необходимо уменьшить вихревые токи, возникающие при изменении потока, с помощью ламинирования изолированного сердечника.
<2> В случае постоянного тока падение напряжения было вызвано только сопротивлением, но в случае переменного тока, помимо падения напряжения, вызванного сопротивлением, мощность также снижается из-за ухудшения коэффициента мощности вследствие сдвига фаз, возникающего в результате электромагнитной индукции.
Синхронный электродвигатель
Синхронный электродвигатель относится к электродвигателям, скорость вращения которых равна синхронной скорости. Они включают в себя следующие три типа:
<1> Редукционный электродвигатель
Редукционный электродвигатель использует статор с распределенной обмоткой (Рис. 1.13 Слева) и короткозамкнутый ротор с сильными полюсами (Рис. 1.14 Справа).
В начале работы он вращается, как асинхронный электродвигатель, а затем во время работы вращается синхронно с частотой источника питания. Скорость вращения отличается для участков 50 Гц и 60 Гц. Этот электродвигатель обладает сравнительно большим пусковым моментом. Его также называют реактивным электродвигателем.
Слабая сталь с постоянным магнитом, не вызывающая намагничивания
В электродвигателе с гистерезисом используется статор с распределенной обмоткой (Рис. 1.13 Слева) и полужесткий стальной ротор (Рис. 1.15).
Поскольку этот электродвигатель вращается с использованием гистерезисных характеристик, он практически не испытывает неравномерности вращения или вибраций. Кроме того, из-за отсутствия разницы между моментами пуска и останова, в идеале он должен работать при постоянной нагрузке. Этот электродвигатель может быть изготовлен только производителями, имеющими специальное гистерезисное кольцо.
<3> Индукторный электродвигатель
Принцип работы синхронных электродвигателей индукторного типа заключается в синхронизации движения ротора с частотой тока, подаваемого на обмотку статора (электромагнита), и преобразовании подводимой мощности во вращательное движение за счет многократного притяжения и отталкивания.
Другими словами, скорость вращения ротора будет обратной целому числу скорости вращения (синхронной скорости), однозначно определяемой частотой тока. Электродвигатели можно разделить на два типа в зависимости от структуры ротора.
・Лопастно-полюсные электродвигатели
・Гибридные шаговые электродвигатели (медленно синхронные электродвигатели).
Электродвигатели с когтевым полюсом с различными номинальными скоростями можно получить, комбинируя конструкцию электродвигателя и головку редуктора.
Электродвигатели с когтевым полюсом используются в различных приложениях, включая игровые автоматы (пинболы), копировальные машины, приводы камер слежения, записывающие счетчики, автоматические шторы и устройства для открытия/закрытия клапанов. Гибридные шаговые электродвигатели в основном используются в производственном оборудовании.
Сихронный и асинхронный электродвигатель
При обсуждении электродвигателей с вращающимся магнитным полем часто используются слова «синхронный» и «асинхронный». Эти термины связаны с инженерным фактором: «Вращается ли электродвигатель синхронно с частотой переменного тока». Ниже приведены важные термины:
◎Синхронная скорость N0
Синхронная скорость — важный параметр, используемый в отношении электродвигателей переменного тока с вращающимся магнитным полем. Она определяется частотой и числом магнитных полюсов.
Электродвигатели, вращающиеся с синхронной скоростью, называются синхронными.
Электродвигатели, вращающиеся медленнее синхронной скорости, называются асинхронными.
Асинхронный электродвигатель
Это общее название для электродвигателей, скорость вращения которых немного ниже синхронной. Существуют следующие три типа. В любом случае используется статор с распределенной обмоткой (Рис. 1.13 Слева).
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (Рис. 1.14 Слева) используется в асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором.
<2> Вихревой электродвигатель
Он оснащен тремя контактными кольцами для подачи напряжения на ротор со щеткой.
В асинхронных электродвигателях с обмотками (Рис. 1.18) используются обмоточные роторы. Характеристики электродвигателя можно изменять с помощью переменного резистора, подключенного через контактные кольца. Этот ротор специально используется в больших электродвигателях.
<4> Однофазный асинхронный электродвигатель
Мы описали многофазные (трехфазные) асинхронные электродвигатели в разделах <1> — <3> выше.
В повседневной жизни большинство людей знакомы с однофазным источником питания переменного тока. Поэтому практичные электродвигатели, работающие на однофазном переменном токе, были бы удобны. Однофазный асинхронный электродвигатель отвечает этому требованию. Небольшие электродвигатели этого типа мощностью от нескольких до нескольких сотен ватт широко используются в быту, мелкой промышленности и сельском хозяйстве. Конденсаторные электродвигатели и однофазные асинхронные электродвигатели с затененными полюсами являются типичными однофазными асинхронными электродвигателями.
<4>-a) Конденсаторный электродвигатель
Как показано на Рис. 1.19, конденсаторные электродвигатели конфигурируются путем установки конденсатора в фазу A таким образом, что VA становится опережающей фазой по отношению к VM.
Конденсаторные электродвигатели делятся на пусковые, в которых конденсатор C вставляется только при пуске, работающие, в которых конденсатор C вставляется постоянно, начиная с момента пуска, и бинарные конденсаторные электродвигатели, которые уменьшают емкость путем переключения конденсатора, когда двигатель переходит в устойчивое рабочее состояние.
Кроме того, что конденсаторные электродвигатели предпочтительно используются в бытовых приборах, которые имеют сравнительно меньший пусковой момент, в промышленности они применяются в небольших приводах ленточных конвейеров и станках FA (автоматизация производства) благодаря простоте использования и высокой экономичности.
<4>-b) Однофазный асинхронный электродвигатель с затененными полюсами
Однофазный асинхронный электродвигатель с затененными полюсами — это асинхронный электродвигатель с короткозамкнутой вспомогательной обмоткой, расположенной в положении, смещенном относительно основной обмотки на электрический угол менее 90°.
Вспомогательная обмотка индуцирует напряжение, используя трансформаторный эффект основной обмотки для подачи короткозамкнутого тока, и генерирует вращающееся магнитное поле, используя магнитодвижущую силу вспомогательной и основной обмоток.
Будучи менее эффективным из-за потерь, возникающих на затененной обмотке, этот двигатель используется в вентиляторах и других приборах малой мощности благодаря своей простой конструкции.
По структуре электродвигатели переменного тока можно разделить на электродвигатели с коммутатором и электродвигатели с вращающимся магнитным полем.
В этой главе сначала рассматриваются «электродвигатели с коммутатором», которые используются, например, в электрических пылесосах и фенах.
Структура и характеристики коллекторных электродвигателей переменного тока
серийный электродвигатель
(CW = по часовой стрелке)
В Главе 1 вы прочитали о электродвигателях постоянного тока на основе электромагнитов. Вы изучили различные способы подключения, такие как шунт, серия и раздельное поле. Как вы думаете, что произойдет, если подать переменный ток на последовательный электродвигатель?
Предположим, что, когда электродвигатель вращается в состоянии, показанном на Рис. 2.33 (a), полярность напряжения, подаваемого на электродвигатель, меняется на противоположную. Если полярность электромагнита остается неизменной, как показано на Рис. 2.33 (b), то ток, протекающий через ротор, изменяется на противоположный и, как следствие, изменяется направление вращения ротора.
Однако в последовательном электродвигателе полярность электромагнита также меняется на противоположную, как показано на Рис. 2.33 (c). Таким образом, направление вращения остается неизменным.
Таким образом, этот электродвигатель способен продолжать вращение и при переменном токе.
Однако если подать переменный ток на серийный электродвигатель, предназначенный для работы с постоянным током, возникнет проблема. При подаче переменного тока, когда для сердечника статора используется литой металл или мягкая сталь, возникает ток, обусловленный электромагнитной индукцией (этот ток называется вихревым), который выделяет большое количество тепла. Поэтому, как и в асинхронном электродвигателе, в сердечнике электродвигателя с коммутатором, работающего на переменном токе, используется структура изоляционного слоя на основе кремниевой стали.
Такие электродвигатели называют универсальными, поскольку они могут работать как на переменном, так и на постоянном токе.
Однако, поскольку на практике эти электродвигатели работают в основном на переменном токе, их называют коммутаторными электродвигателями переменного тока.
Характеристики и недостатки
Электродвигатели с коммутатором переменного тока имеют следующие особенности:
・Работают от 100 В переменного тока для домашнего использования
・Вращаются быстрее, чем асинхронные электродвигатели
・Скорость вращения снижается, а крутящий момент увеличивается при увеличении нагрузки
・Высокий пусковой момент
Благодаря этим характеристикам они используются в бытовых приборах, таких как электрические пылесосы, и инструментах, таких как электродрели (Рис. 2.34), где требуются высокопроизводительные, легкие электродвигатели, а также в миксерах и кофемолках, где вращение должно быть быстрее, чем у асинхронных электродвигателей.
С другой стороны, электродвигатели с коммутатором переменного тока имеют следующие недостатки:
・Генерируют шум
・Не подходят для постоянной или непрерывной работы из-за срока службы щеток
Существует ли шунтовый электродвигатель с коммутатором переменного тока?
Электровигатель с последовательным коммутатором работает на переменном токе. Тогда можно ли использовать шунтовый электродвигатель на переменном токе?
Когда электромагнит используется для генерации поля, индуктивность катушки возбуждения становится больше индуктивности якоря. При подаче переменного тока на катушку возбуждения ее фаза тока отстает от фазы тока якоря. Таким образом, плотность магнитного потока становится низкой, когда ток проходит по обмотке, а когда она становится высокой, ток в обмотке прекращается. В этом случае достаточный крутящий момент электродвигателя недоступен.
По сравнению с этим, в последовательной катушке такого явления не происходит, поскольку катушка возбуждения и катушка якоря включены последовательно, и фаза тока в них одинакова. Именно поэтому в электродвигателях с коммутаторами переменного тока используется последовательная структура.
Принцип вращения асинхронного электродвигателя
Как описано в Главе 1, существует множество типов электродвигателей с вращающимся магнитным полем.
В этой главе рассматриваются силовые электродвигатели, используемые на заводах (Рис. 2.35), и асинхронные электродвигатели, широко применяемые в быту для электровентиляторов и стиральных машин.
В вводной части по электродвигателям принцип вращения асинхронного электродвигателя объясняется с помощью диска Араго (см. Рис. 2.42).
Ротор асинхронного электродвигателя общего назначения имеет структуру, показанную на Рис. 2.36 (а). Если разобрать ротор, то можно увидеть, что он не является диском, а состоит из пластины из кремниевой стали и алюминиевой части в форме клетки, как показано на Рис. 2.36 (b). Такой ротор называется короткозамкнутым.
Для объяснения принципа вращения электродвигателей с короткозамкнутым ротором нецелесообразно использовать диск Араго. Его лучше объяснить с помощью подхода, используемого для двигателей постоянного тока.
Как показано на Рис. 2.37, замкнутая катушка помещается в магнитное поле, а внешний магнит приводится во вращение. Затем, как показано в принципе генерации энергии в двигателях постоянного тока, в катушке возникает энергия, и по ней течет ток.
При протекании тока катушка создает вращающий момент, который взаимодействует с исходным магнитным полем, и тогда катушка начинает вращаться.
Если увеличить количество катушек, как показано на Рис. 2.38, то катушки можно заменить сепаратором.
То есть клетка асинхронного электродвигателя соответствует катушке электродвигателя постоянного тока.
Ниже кратко изложен принцип вращения асинхронных электродвигателей.
<1> Вращение магнитного поля
<2> Генерирование индукционного тока
<3> Возникновение силы от взаимодействия между током и магнитным полем
<4> Вращение ротора
В реальных электродвигателях механизм последовательно возбуждает несколько катушек вместо перемещения магнитов для получения того же эффекта. Для изменения возбуждения необходимо два или более синусоидальных сигнала, сдвинутых по времени.
Как правило, на заводах используется трехфазное переменное напряжение 200 В, сдвинутое на 120 градусов относительно друг друга (Рис. 2.39).
Поскольку домашний источник питания – однофазный 100 В переменного тока, при использовании асинхронного электродвигателя мы должны тем или иным способом создать синусоиду, сдвинутую по фазе относительно источника питания. Один из способов – сдвинуть фазу тока в катушке на 90 градусов с помощью конденсатора. Электродвигатель, работающий таким образом, называется однофазным электродвигателем с конденсатором.
Однофазный электродвигатель с конденсатором создает вращающееся магнитное поле с помощью двух обмоток, одна из которых – главная, подключенная непосредственно к источнику питания, а вторая — вспомогательная, подключенная к источнику питания через конденсатор.
Структура электродвигателя с конденсатором показана на Рис. 1.2 Главы 1.
Характеристики асинхронных электродвигателей
Как описано в Главе 1, синхронная скорость электродвигателя с вращающимся магнитным полем определяется по следующей формуле:
NS: Синхронная скорость вращения (оборотов в минуту) [об/мин] N0: Синхронная скорость вращения (оборотов в секунду) [об/мин]
f: Частота питания [Гц] p: Число полюсов электродвигателя
Скольжение
Когда мы говорим об асинхронных электродвигателях, необходимо учитывать важный момент. Для того чтобы через катушку протекал ток, она должна перемещаться в магнитном поле.
Для этого между магнитным полем и катушкой должна быть относительная разница скоростей.
Из-за этой разницы скоростей электродвигатель вращается со скоростью, немного меньшей, чем синхронная скорость.
Это отличие скорости от синхронной скорости называется скольжением и обозначается символом s. Скольжение s выражается следующей формулой:
N: скорость вращения ротора [об/мин] NS: синхронная скорость вращения [об/мин].
Обычно скольжение выражается в процентах. Скольжение силового асинхронного электродвигателя составляет 2-3%, когда электродвигатель работает при номинальной нагрузке. Для небольших однофазных электродвигателей это значение несколько больше.
Скорость вращения и крутящий момент
На Рис. 2.40 показаны характеристики асинхронных электродвигателей. Если электродвигатель спроектирован таким образом, что импеданс алюминиевого проводника ротора снижен, его эффективность повышается в диапазоне высоких скоростей. И с другой стороны, когда электродвигатель спроектирован таким образом, чтобы иметь высокий импеданс, он имеет повышенный крутящий момент в диапазоне низких скоростей.
В области справа от максимального крутящего момента на характеристической кривой увеличение нагрузки не так сильно снижает скорость низкоомных двигателей. Крутящий момент увеличивается и становится стабильным.
То есть скорость этих электродвигателей остается практически неизменной, несмотря на изменение нагрузки.
На Рис. 2.41 показаны характеристики этих электродвигателей: на горизонтальной оси отложен крутящий момент, на вертикальной — скорость вращения, с добавлением тока и КПД.
Сравнив этот график с приведенными выше характеристиками электродвигателей постоянного тока, вы обнаружите следующие характеристики асинхронных электродвигателей.
● Изменение нагрузки не сильно влияет на их скорость, хотя их крутящий момент изменяется.
● Зависимость между моментом и током не является линейной.
Двигатель с диском Араго
Рис. 2.43 Интегрирующий ваттметр
Итак, что такое диск Араго (Рис. 2.42), который часто используется для объяснения электродвигателей переменного тока?
Принцип работы диска Араго заключается в том, что, когда диск из меди или алюминия помещается между магнитами и магниты перемещаются, на диске возникает вихревой ток. И этот вихревой ток вызывает на диске силу, которая стремится сдвинуть диск в направлении движения магнитов.
Одним из знакомых устройств, работающих по этому принципу, является интегрирующий ваттметр (индукционный счетчик электроэнергии) (Рис. 2.43), установленный на вводном проводе в вашем доме.
В интегрирующем ваттметре магнитопровод катушки, состоящей из большого числа витков тонкого электрического провода, устанавливается с одной стороны алюминиевого диска (Рис. 2.44). Даже если катушка подключена параллельно ламповому проводу, потребляемый ток очень мал, так как электрический провод тонкий и длинный. Такая катушка называется катушкой напряжения.
На противоположной стороне алюминиевого диска установлен еще один магнитопровод катушки, состоящей из небольшого количества витков достаточно толстого электрического провода.
Если последовательно подключить эту катушку к ламповому проводу, то весь ток, потребляемый дома, будет протекать через эту катушку.
При этом падение напряжения невелико, так как провод катушки толстый и короткий. Такая катушка называется катушкой тока. Фаза тока в этих двух катушках сдвинута примерно на 90 градусов из-за разницы в индуктивности. Поэтому они генерируют вращающееся магнитное поле так же, как и электродвигатель с конденсатором.
Вихретоковый электродвигатель – один из практических электродвигателей, использующих вихревые токи. Как описано в главе 1, в этом электродвигателе используется ротор, состоящий в основном из мягкой стали. Движения магнитного поля вызывают вихревые токи в роторе.
Вихретоковые электродвигатели имеют характеристики, показанные на Рис. 2.45. Эти электродвигатели обеспечивают возможность регулирования крутящего момента путем изменения приложенного напряжения и уменьшают пульсации крутящего момента даже при ограничении вращения вала электродвигателя.
Из-за этих характеристик вихретоковые электродвигатели также называют моментными.
Благодаря этим уникальным характеристикам моментные электродвигатели используются в прессовых механизмах, тормозных системах и намоточных устройствах. Однако, поскольку этим электродвигателям сложно поддерживать скорость вращения без механизма управления, они не подходят для использования в качестве электродвигателей общей мощности. Поэтому они производятся в ограниченных объемах.
Трехфазный переменный ток
Электроэнергетические компании используют трехфазную передачу переменного тока, а электростанции — трехфазное переменное напряжение.
Почему практикуется трехфазная передача?
Предположим, вы передаете трехфазную электроэнергию, фазы которой отличаются друг от друга на 120 градусов. Поскольку каждая фаза использует одну отходящую и одну возвратную линии, общее количество линий равно шести (по три на отходящую и возвратную).
Поэтому, если объединить линии возврата, количество линий сократится до четырех (Рис. 2.46).
Такая система называется трехфазной четырехпроводной. В этом случае ток I, протекающий по обратной линии, выражается следующим образом:
I = I0 {sinθ + sin(θ + 2/3π) + sin(θ — 2/3.π)}.
Если вы вычислите это значение, то получите 0. Другими словами, через четвертую линию ток не течет.
Если ток не течет, то нет необходимости в проводе. Поэтому четвертый провод можно убрать, и для передачи электроэнергии будет достаточно трех проводов.
Такая система называется трехфазной трехпроводной. Как видно из вышесказанного, трехфазная передача переменного тока — это рациональный метод подключения, позволяющий по трем проводам передавать то же количество электроэнергии, что и по шести проводам.
