Принцип работы трёхфазного индукционного двигателя

Что можно сказать об электродвигателе? Такой мотор является таким электромеханическим девайсом, который преобразует электрическую энергию в механическую энергию. В случае работы переменного тока, который является трёхфазным, наиболее часто применяющимся мотором является трехфазный индукционный мотор, ведь данный вид мотора не требует никакого стартового устройства. Можно также сказать, что данный двигатель является самозапускающимся индукционным мотором.

Для того чтобы лучше понять принцип действия трёхфазного индукционного двигателя, необходимо иметь достаточно чёткое представление об основной особенности, которая присуща конструкции данного мотора. Данный электродвигатель имеет две части, которые можно назвать основными. А именно, это статор и ротор. Чтобы хорошо представлять себе работу данного устройства нужно знать достаточно об этих составляющих.

Статор

Статор данного индукционного двигателя сделан из определённого количества слотов, для того чтобы получилась трёхфазная обмотка, которая подключена к источнику переменного тока, являющегося трёхфазным. Трёхфазная обмотка размещена в слотах таким образом, что она производит магнитное поле, которое является вращающимся. Это происходит после третьей фазы. Обмотка должна получать питание в виде переменного тока.

Ротор

Ротор данного индукционного мотора содержит многослойный сердечник, который имеет цилиндрическую форму. Этот сердечник с параллельными слотами, которые могут держать элементы, проводящие электрический ток. В роли таких элементов в данном случае выступают тяжёлые медные или алюминиевые стержни, которые подходят к каждому слоту и они замкнуты конечными кольцами.

Слоты не то что бы абсолютно параллельны оси вала. Они несколько скошены. Это обусловлено тем, что такое расположение уменьшает магнитный гудящий шум и может помочь избежать потери скорости данного мотора

О том, как работает этот двигатель

Создание магнитного поля, которое вращается

Статор мотора содержит смещённые перекрытые обмотки. Электрический угол смещения составляет 120º. Тут основная обмотка или же статор подключены к источнику тока, который является переменным и трёхфазным. Это обстоятельство уже, в свою очередь, служит причиной возникновения такого магнитного поля, которое вращается, причём вращается оно с синхронной скоростью.

Секреты вращения:

Согласно закону Фарадея “электродвижущая сила, которая вызвана в какой-либо электрической схеме, является следствием процента изменения магнитного потока, который идёт через схему”. Так как обмотка ротора в индукционном моторе тоже замкнута через внешнее сопротивление или прямо замкнуто замыкающим кольцом, и отрезает магнитное поле статора (вращающееся), электродвижущая сила появляется на медном стержне ротора, и благодаря этой силе электрический ток течёт через элемент ротора, который специально для этого предназначен.

Здесь относительная скорость между вращающемся магнитным потоком и статичным проводящим элементом ротора является причиной возникновения электрического тока. Отсюда, исходя из закона Ленца, ротор будет вращаться непосредственно в том же направлении, чтобы относительная скорость уменьшилась.

Таким образом, исходя из принципа действия этого электрического двигателя, можно заметить, что скорость, которую имеет ротор, не должна достигать синхронной скорости, которая производится статором. Если скорости были бы равны, то не было бы такой относительной скорости, так что не возникало бы и электродвижущей силы в роторе, не было бы потока электрического тока, и поэтому не было бы крутящего момента.

Следовательно, ротор не может достичь синхронной скорости. Разница между скоростью статора (синхронная скорость) и скоростью ротора называется проскальзыванием. Вращение магнитного поля в индукционном двигателе имеет преимущество, что не нужны никакие электрические связи с ротором.

Пора подвести итоги. Из перечисленных выше особенностей трехфазного индукционного мотора следует, что:

— Данный электродвигатель самозапускающийся и не нуждается в помощи какого-то другого элемента для своего старта.

— Этот мотор имеет меньше противодействия арматуры и искрообразования на щётках в силу того, что отсутствуют коммутаторы и щётки, которые могут вызывать образование искр.

— Электродвигатель данного типа прочен по конструкции, что, конечно же, является большим плюсом.

— Мотор экономичный, что делает его интересным решением во многих областях; соответственно, данный двигатель имеет неплохие перспективы, ведь он будет достаточно популярен и востребован.

— Данный электродвигатель довольно лёгок в обслуживании, что опять же позволяет назвать его перспективным, ведь данное качество интересно любому пользователю подобных устройств, который понимает важность этого нюанса.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

Как Тесла изменит мир (7/10): plazmida — LiveJournal

Предыдущая часть (6/10)

Часть 3: История Теслы

Кристи Николсон вспоминает свою первую встречу с Илоном Маском на одной из вечеринок в 1989 году.

«Кажется, со второго предложения он заявил, что очень много раздумывает об электрических автомобилях», – сказала Кристи. «А потом он повернулся ко мне и спросил, думаю ли я тоже об электромашинах?»

В 1989 году электрокары были достаточно странным предметом для размышлений. Чтобы понять причины, по которым Маск так был одержим мыслями об электромашинах, давайте сначала попытаемся разобраться, что вообще такое электромобили и как они работают.

В настоящее время достаточно много типичных современных машин, которые считаются более экологически чистыми по сравнению с их бензиновыми аналогами – гибридные машины, заряжаемые гибридные машины, электрические машины (или электромобили, ЭМ). Также сейчас часто обсуждается другой вид машин – автомобили на водородном топливе. Общей чертой перечисленных выше автомобилей является наличие электродвигателя.

Существует два вида электромоторов – индукционный двигатель переменного тока и вентильный двигатель постоянного тока. Ввиду того, что читающие данные строки вряд ли уже смакуют губы в предвкушении насладиться ликбезом длиной на три абзаца о различиях, давайте для простоты считать их примерно одинаковыми.

Электродвигатель – это своего рода сосиска в тесте, где электричество подаётся на внешнюю неподвижную мучную часть (статор), заставляющее сосиску (ротор) крутиться. Ротор соединён с осью, которая и вращает колёса. Как-то вот так:²⁹

Как работает индукционный мотор переменного тока

Одним из наиболее типичных электродвигателей является индукционный мотор переменного тока (именно такие установлены в машинах Тесла). Индукционным он называется, т.к. отсутствует физический контакт между ротором и статором – электричество в статоре создаёт вращающееся магнитное поле, которое проникает в ротор посредством электрической индукции и вызывает его вращение.

Статор генерирует вращающееся магнитное поле посылая электричество через трёх-фазовую систему:³⁰

Всего имеется три различных провода, каждый с чередующейся (переменной) тягой – просто посмотрите на стрелку одного цвета и вы увидите, что она бегает туда-сюда. Но эти три провода расположены таким образом, что направление тяги статора постепенно меняется по кругу. При добавлении ротора в такое магнитное поле заставляет его вращаться:
Идея в том, что ротор никогда не может оказаться там, где он «хочет» находится – он постоянно вынужден бегать за направлением поля статора. Эта «погоня» и приводит автомобиль в движение. Индукционный мотор переменного тока был изобретён Николя Теслой, именно поэтому Тесла Моторз и названа в его честь (открывший индукцию Фарадей был на втором месте в списке кандидатов в название).

Следующие типы машин используют электродвигатель.

Гибридные машины (гибриды, гибридные электрические автомобили) несут на своём борту одновременно и электродвигатель, и бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Гибриды не втыкают в розетку – горящий бензин заряжает их батарею. Также батарея заряжается с помощью электромотора при торможении автомобиля. Как правило, джоули кинетической энергии машины во время движения оказываются потерянными при торможении и уходят в виде тепла. При регенеративном торможении часть этой кинетической энергии посылается обратно в аккумулятор, чтобы использоваться позднее. Электрический компонент гибридной машины замещает часть потребности в сжигании бензина, увеличивая расстояние, которое способна проехать машина при том же расходе топлива. Снижаются выхлопы, уменьшаются расходы на бензин. Гибриды – огромный технологический шаг по сравнению с обыкновенными автомобилями.

Но гибриды всё равно не ахти. Почему? Они только частично улучшают ситуацию с выхлопами, но не решают её – им же всё равно необходим бензин для движения. Мир, где люди на 100% передвигаются с помощью Приусов, всё равно остаётся миром в 100%-ой зависимости от нефти.

Втыкаемые в розетку гибридные машины слегка получше обыкновенных гибридов. Подобные машины (Шеви Вольт, Хонда Аккорд, Форд Фьюжн Энерджи) позволяют подзаряжать батарею автомобиля дома и, как правило, способны проехать около 16-64 км на заряде батареи, прежде чем начнётся потребление бензина. Обычно этого оказывается достаточно для большинства людей с их ежедневными потребностями – иными словами, водители могут обходиться без нужды заправляться бензином длительное время.

Но если мы подобрались так близко с электромоторами и батареями – почему же не пойти до самого конца?

Водородные машины являются полностью электрическими, но они не используют батарею. Вместо этого их нужно заправлять топливом наподобие бензиновой машины – только вместо бензина они потребляют сжатый водород. Водород смешивается с кислородом воздуха для генерирования электроэнергии, которая и питает двигатель автомобиля. Данные машины не выделяют выхлопов, т.к. продуктом сгорания является чистая вода. Здорово ведь.

Маск же не понимает, как некоторые могут приводить доводы за использования водородных автомобилей – в свою очередь большое число автомобильных компаний (Тойота, Хонда, Дженерал Моторз) в настоящее время вливают огромные средства в производство водородных машин. Чтобы разобраться в противоречиях, я прочитал 12 статей за и против данной технологии. В результате я не остался сильно убеждённым, почему водородные автомобили ждёт многообещающее будущее по сравнению с электрокарами.

Из массы недостатков водородных машин по сравнению с электрическими можно ограничиться лишь следующими:

1) Водородные машины для производства их топлива в итоге оказываются зависимы от природного газа (ископаемое горючее), в то время как производство электричества для электромобилей становится со временем только чище.

2) Запас энергии, расстояние пробега и стоимость водородных топливных элементов оказываются очень схожими с показателями батарей для электромашин, а батареи электромобилей со временем будут улучшаться и дешеветь в производстве.

3) Водород является достаточно опасным и непростым в обращении веществом, особенно очевидным это становится в сравнении с электророзетками для подзарядки электромашин.

4) В будущем, когда в норму войдёт подзарядка машины в собственном гараже, заезд на заправку будет казаться чем-то нелепым и архаичным.

А вот мнение Маска из нашей имейл переписки касательно водородных машин: «Если вы используете электричество солнечной панели для зарядки аккумулятора, то можно достичь 90% производительности. Просто и дёшево. Ежели вы попытаетесь с помощью электричества сперва разложить воду, затем отделить водород до немыслимой чистоты, сжать его до невероятного давления (или что хуже – перевести в жидкую форму), перекачать в огромный (даже для жидкого варианта) водородный бак машины и, в конце-концов, соедините топливо с кислородом – то при большом везении, вам удастся добиться 20% производительности. Дорого, сложно, громоздко и супер неэффективно. Водород проигрывает на всех уровнях, включая время заправки бака по сравнению с заменой батареи Теслы на заряженную. Стоимость водородных топливных элементов высока. Подумайте сами – если бы топливные элементы хоть в чём-то превосходили литиевые батареи – их бы как минимум использовали в спутниках, некоторые из которых стоят более $500 миллионов. Но этого не происходит.»

Наконец, мы подобрались к электромобилям (или ЭМ) типа Ниссан Лиф, БМВ ай3, Форд Форкус Электрик и Тесла Модел Эс. Электрокары просты в устройстве – они состоят из большой батареи, которую вы периодически заряжаете, и электромотора питающегося от неё. И никакой жидкости.

В теории ЭМ вполне оправданы. Давайте попробуем забыть все остальные машины на секунду и взглянем на преимущества электромотора по сравнению с бензиновым двигателем внутреннего сгорания:

Электродвигатели в большинстве случаев более удобны, чем их бензиновые аналоги. Машины на бензине вынуждены ездить на заправку. Обладатели ЭМ, как и свой телефон, втыкают свои транспортные средства на ночь в розетку для подзарядки – никаких остановок для покупки бензина. Бензиновый двигатель гораздо более сложен в устройстве по сравнению с электромотором. Бензиновый мотор состоит из более чем 200 деталей, электрический – менее чем из десяти. Бензиновым двигателям необходима коробка передач (трансмиссия), система выхлопа, шестерёнки и куча других покрытых маслом херовин. В ЭМ все эти компоненты отсутствуют, если вы заглянете под капот – вы обнаружите пустое пространство вроде багажника. Бензиновые двигатели нуждаются в моторном масле – отсюда необходимы периодические заезды на сервис для его замены. ЭМ это ни к чему. Дополнительная сложность в устройстве бензиновых машин означает, что они требуют больше обслуживания по сравнению с электромобилями.

Стоимость питания электромотора гораздо ниже стоимости питания бензинового двигателя. Даже без учёта дополнительных расходов на замену масла и ремонт, сам по себе бензин стоит гораздо дороже электричества. Давайте взглянем на цифры.

В среднем электромобиль может проехать 5 км потратив один киловатт-час (кВт⋅ч) электричества. В США стоимость кВт⋅ч составляет 12 центов. Отсюда получается, что проехать один километр на электромобиле стоит около 2,5 цента.

Высчитать стоимость для бензиновой машины немного сложнее, т.к. цены на бензин нестабильны, а расход топлива бензиновых машин сильно варьирует. При лучших раскладах в условиях необычно дешёвого бензина ($0,40 за литр) и низкого расхода топлива (скажем, 15 км/л) стоимость проехать один километр составляет те же 2,5 цента. В худшем случае при ценах на бензин в $1.08 за литр и расходе в 6 км/л проехать один километр уже стоит 18 центов. При характерном годовом пробеге в 19 тысяч км в самом лучшем варианте бензиновые машины показывают такие же результаты, как и электромобили, а в плохом варианте кататься год на бензине стоит на $3000 дороже.

Автомобили с бензиновыми двигателями являются одной из двух наиболее значимых причин в развитии энергетического и климатического кризисов. Выше мы уже обсуждали данный аспект – транспорт, сжигающий нефть, ответственен за треть всех мировых выбросов, ведёт к загрязнению городов, ставит одни страны в зависимость от других. Электромоторы функционируют без выхлопов. Да, они потребляют электроэнергию, произведённую в том числе и грязным способом, но мы обсудим этот вопрос немного позднее.

Очевидно именно поэтому Маск поведал Кристи Киколсон о своих раздумьях об электромашинах. Электромотор определённо проще, чище и является более разумным долговременным решением для использования в автомобилях.

Но при своём первом появлении, произошедшем более ста лет назад, электромоторы обладали рядом существенных недостатков, которые и предотвратили их широкое применение. А ввиду того, что электромашины перестали производиться ещё тогда, недостаточно времени и денег оказалось вложено для решения всё тех же самых недостатков. Как правило, выделяют три основных беспокойства касательно жизнеспособности электроавтомобилей:

1) Дальность. В действительности здесь заключены три следующих проблемы:

А) Хватит ли заряда батареи для поездок на дальние расстояния? Или же ЭМ годятся только для местных поездок?

Б) Куда податься в случае необходимости подзарядить батарею в пути? Не окажусь ли я на нуле посреди поля?

В) Если всё-таки удастся отыскать станцию подзарядки в пути, придётся ли мне ждать пять часов для полного заряда батареи?

Вышеперечисленные вопросы потенциальных покупателей электромашин относятся к т.н. «беспокойствам о дальности».

2) Разгон. Наиболее распространённый электромобиль в нынешние дни – машинка для перемещения по полю для игры в гольф, что не особо возбуждает автовладельцев. Никто не хочет авто, которое управляется как кусок кала, а если говорить о стремительном ускорении, на ум, как правило, приходят мощные бензиновые двигатели, а не электромоторы.

3) Цена. С самого начала электромобили стоили дороже своих бензиновых аналогов, в основном из-за высокой стоимости батареи.

Сто лет назад, в 1910 году, люди указывали на те же самые три основных проблемы электромобилей, что отчасти является причиной, почему бензиновые автомобили со временем стали доминировать на рынке. У бензиновых автомобилей имелась куча собственных проблем, но Форд умело разобрался, как с ними можно справится – он в своё время совершил то, чего никто не смог сделать для электромашин.

Я поинтересовался мнением Маска о Генри Форде. Вот его ответ: «Форд был человеком, который при появлении препятствий на своём пути, умел находить обходы – он просто-напросто решал проблемы. Он был способен сфокусироваться на нуждах потребителя, даже если сам потребитель толком не мог сообразить, что же ему нужно.»

Когда же в 2003 году Маск завершил раздумья об электромашинах и взялся, собственно, их делать, шансы были отнюдь не на его стороне. Продолжали существовать слишком большие препятствия для входа на рынок, не позволяющие автомобильным стартапам преуспеть практически в течение целого века. В условиях неучтённой стоимости углеродных выбросов, открывать компанию по продвижению электрокаров было сродни игры в баскетбол, где все остальные игроки кроме тебя могут безнаказанно совершать фолы. Доминирующие гигантские нефтяные компании делали всё в своих силах, чтобы срезать на корню любую попытку в продвижении электромашин. Более того, электрокары являлись новым типом автомобилей, развитие которых фактически оказалось остановлено с момента, когда первые производители опустили руки век назад. Дорогостоящий и долгий процесс по навёрстыванию упущенного всё ещё предстояло пройти – все из трёх перечисленных недостатков ЭМ всё ещё нужно было каким-то образом преодолеть.

Встаёт главный вопрос – электромашины не смогли преуспеть в прошлом из-за наличия неразрешимых проблем или же просто до сих пор не нашлось человека, который бы оказался своего рода Генри Фордом для электромобилей?

Следующая часть (8/10)

Вентильный реактивный электродвигатель — Википедия

Сечение ВРД с 8 статорными и 6 роторными полюсами

Сечение ВРД с 6 статорными и 4 роторными полюсами

Вентильный реактивный электродвигатель (ВРД) — это бесколлекторная синхронная машина, на обмотки статора которой подаются импульсы напряжения управляемой частоты, создающие вращающееся магнитное поле. Вращающий момент возникает за счет стремления ротора к положению, при котором магнитный поток статора проходит по оси ротора, изготовленного из магнитомягкого материала, с наименьшим магнитным сопротивлением^[1].

Вентильные реактивные электродвигатели/генераторы имеют следующие достоинства:

Простая конструкция

Ротор и статор выполнены в виде пакетов листового магнитомягкого материала. На роторе ВРД отсутствуют обмотки и постоянные магниты. Фазные обмотки находятся только на статоре. Для уменьшения трудоёмкости катушки обмотки статора могут изготавливаться отдельно, а затем надеваться на полюсы статора.

Высокая ремонтопригодность

Простота обмотки якоря повышает ремонтопригодность ВРД/ВРГ, т.к. для ремонта достаточно сменить вышедшую из строя катушку.

Отсутствие механического коммутатора

Управление электромеханическим преобразователем электропривода/генератора осуществляется с помощью высокоэффективных силовых полупроводниковых элементов — IGBT или MOSFET (HEXFET) транзисторов, надёжность которых существенно превышает надёжность любых механических деталей, например: коллекторов, щёток, подшипников.

Отсутствие постоянных магнитов

ВРД/ВРГ не содержит постоянных магнитов ни на роторе, ни на статоре, при этом он успешно конкурирует по характеристикам с вентильными электрическими двигателями с постоянными магнитами (ВЭДПМ). В среднем, при одинаковых электрических и весогабаритных характеристиках ВРД/ВРГ имеет в 4 раза меньшую стоимость, значительно большую надёжность, более широкий диапазон частот вращения, более широкий диапазон рабочих температур. Конструктивно, по сравнению с ВЭДПМ, ВРД/ВРГ не имеет ограничения по мощности (практически, мощность ВЭДПМ ограничивается пределом около 20-40 кВТ). ВЭДПМ требуют защиты от металлической пыли, боятся перегрева и сильных электромагнитных полей, в случае короткого замыкания обмотки превращаются в самовозгорающуюся систему. Вентильные реактивные электродвигатели/генераторы свободны от всех этих недостатков.

Малое количество меди

На изготовление ВРД/ВРГ требуется в среднем в 2-3 раза меньше меди, чем для коллекторного электродвигателя такой же мощности, и в 1,3 раза меньше меди, чем для асинхронного электродвигателя.

Tепловыделение происходит в основном только на статоре, при этом легко обеспечивается герметичная конструкция, воздушное или водяное охлаждение

В рабочем режиме не требуется охлаждение ротора. Для охлаждения ВРД/ВРГ достаточно использовать наружную поверхность статора.

Высокие массогабаритные характеристики

В большинстве случаев ВРД/ВРГ может быть выполнен с полым ротором. Толщина спинки ротора при этом должна быть не менее половины ширины полюса. Подбором количества полюсов статора и ротора могут быть оптимизированы массогабаритные характеристики электродвигателя/генератора, его мощность при заданном моменте и диапазоне частоты вращения.

Низкая трудоёмкость

Простота конструкции ВРД/ВРГ снижает трудоёмкость его изготовления. В сущности, его можно изготовить даже на не специализирующемся в области электромашиностроения промышленном предприятии. Для серийного производства ВРД/ВРГ требуется обычное механическое оборудование — штампы для изготовления шихтованных сердечников статора и ротора, токарные и фрезерные станки для обработки валов и корпусных деталей. Трудоёмкие и сложные в технологическом отношении операции, например изготовление коллектора и щёток коллекторного электродвигателя или заливка клетки ротора асинхронного двигателя, здесь отсутствуют. По предварительным оценкам трудоёмкость изготовления ЭМП вентильного реактивного электродвигателя составляет на 70% меньше трудоёмкости изготовления коллекторного и на 40% меньше трудоёмкости изготовления асинхронного электродвигателя.

Гибкость компоновки

Простота обмотки якоря и отсутствие обмотки и магнитов на роторе обеспечивает ВРД/ВРГ высокую гибкость компоновки. Конструкция электродвигателя/генератора может быть плоской, вытянутой, обращённой, секторной, линейной. Для выпуска целого типоряда электродвигателей/генераторов с различной мощностью можно использовать один и тот же комплект штампов для вырубки ротора и статора, поскольку для увеличения мощности достаточно увеличить соответственно длину набора ротора и статора. Не составляет труда изготовление машины с расположением статора как снаружи ротора, так и наоборот, а также встраивание электроники в корпус машины. Изменение коэффициента электромагнитной редукции позволяет создавать машины для облегчённых и, напротив, тяжёлых условий работы, включая моментные двигатели. Для привода некоторых рабочих машин выгоднее иметь линейные электродвигатели с возвратно-поступательным перемещением зубцового штока (аналога ротора). В ряде случаев может быть использована давно известная, но неэффективная в случае асинхронного электродвигателя конструкция дугостаторной машины, статор которой охватывает доступную для размещения дугу окружности ротора, в качестве которого может использоваться вал с зубчатым колесом.

Высокая надёжность

Простота конструкции обеспечивает ВРД/ВРГ более высокую безотказность, чем безотказность других типов электрических машин. Конструктивная и электрическая независимость фазных обмоток обеспечивает работоспособность ВРД даже в случае полного замыкания полюсной катушки одной из фаз. ВРГ остаётся работоспособным даже после выхода из строя одной или двух фаз.

Широкий диапазон частот вращения (от единиц до сотен тысяч об/мин)

Электромагнитная редукция позволяет создавать малогабаритные “моментные” электродвигатели для приводов роботов, манипуляторов и других низкооборотных механизмов или низкооборотные высокоэффективные генераторы для ветровых или волновых электростанций. В то же время частота вращения быстроходных ВРД/ВРГ может превышать 100000 об/мин.

Высокий КПД в широком диапазоне частот вращения

Практически достижимый КПД вентильного реактивного электродвигателя/генератора мощностью 1 КВт может доходить до 90 % в диапазоне 5-10-кратной перестройки частоты вращения. КПД более мощных электрических машин может достигать 95-98 %.

ВРД часто путают с синхронным реактивным электродвигателем (СРД), обмотки якоря которого питаются синусоидально изменяющимися напряжениями без обратной связи по положению ротора. СРД имеет низкий КПД, который не превышает 50 % для маломощных электродвигателей и до 70 % для мощных электрических машин.

Импульсный характер питания ЭМП обеспечивает удобную стыковку с современной цифровой электроникой

Поскольку ВРД/ВРГ питается (возбуждается) однополярными импульсами, для управления ЭМП требуется простой электронный коммутатор. Управляя скважностью импульсов силовых транзисторов электронного коммутатора можно плавно изменять форму импульсов тока фазных обмоток электродвигателя или генератора.

Электронное управление электрическими и механическими характеристиками, режимом работы

Естественная механическая характеристика ВРД/ВРГ определяется реактивным принципом действия электрической машины и близка к гиперболической форме. Основное свойство такой характеристики — постоянство мощности на валу машины — оказывается чрезвычайно полезным для электроприводов с ограниченной мощностью источника, так как при этом легко реализуется условие его неперегружаемости. Применение замкнутой системы управления с обратными связями по скорости и нагрузке позволяет получить механические характеристики любой заданной формы, включая абсолютно жёсткие (астатические), и не ведёт к какому либо усложнению системы управления, так как её процессор обладает большой избыточностью по числу входов и выходов, быстродействию и памяти. Фактически поле доступных механических характеристик непрерывным образом покрывает все четыре квадранта плоскости момент-скорость в пределах области ограничений конкретного электропривода.

Низкая стоимость электромеханического преобразователя

Стоимость ВРД оказывается самой низкой из всех известных конструкций электрических машин. Дорогостоящим в рассматриваемой системе электропривода можно считать электронный преобразователь, который является обязательным элементом всех современных регулируемых электроприводов. Однако, цены на изделия силовой электроники по мере развития масштабов производства имеют устойчивую тенденцию к снижению. Исключение из состава ВРД/ВРГ коммутационных аппаратов, для изготовления которых необходима непрерывно дорожающая медь, также способствует уменьшению стоимости.

Наконец, экономическая эффективность ВРД повышается также в результате существенно меньшего расхода электроэнергии, обусловленного высоким КПД электродвигателя и применением наиболее экономичных стратегий управления в динамических режимах работы.

Вентильные реактивные электродвигатели/генераторы имеют следующие недостатки^[2]:

низкий коэффициент мощности

Он обусловлен значительной величиной намагничивающей составляющей тока статора.

низкий КПД при небольших мощностях

В реактивных двигателях мощностью в несколько десятков Вт КПД составляет 30-40%, а в двигателях мощностью до 10 Вт — не превышает 10%.

по габаритам реактивные двигатели больше синхронных и асинхронных двигателей

Это объясняется низким КПД, малым cos⁡(φ){\displaystyle \cos(\varphi )} и небольшой величиной реактивного момента.

• Герасимов В. Г., Кузнецов Э. В., Николаева О. В. Электротехника и электроника. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины. — М.: Энергоатомиздат, 1997. — 288 с. — ISBN 5-283-05005-X.
• Кацман М. М., Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических систем. — М.: Высшая школа, 1979. — 261 с.

 (недоступная ссылка)

Новое направление — индукторные приводы

Технология изготовления и применения, управляемого индукторного привода (ИП) является передовой и наиболее перспективной в области силового электропривода. Индукторный двигатель (ИД) имеет простую и надёжную конструкцию.

Ротор – зубчатый без обмоток, не имеет стержней и постоянных магнитов, набирается из листов электротехнической стали.

Статор – зубчатый, шихтованный, обмотка в виде катушек, устанавливаемых на зубцы (полюсы) и объединённых в несколько фаз.

Катушки не имеют пересекающихся лобовых частей, что повышает их долговечность и обеспечивает легкую ремонтопригодность (достаточно заменить одну катушку, вышедшую из строя, при этом соседние катушки остаются не тронутыми).

Питается ИД от блока управления, с применением IGBT транзисторов, путём поочерёдной подачи импульсов напряжения на катушки по сигналам от датчика положения ротора, что обеспечивает формирование механической характеристики практически в любом диапазоне. Изменением частоты следования импульсов регулируется частота вращения ротора в широких пределах при сохранении неизменным КПД. Изменением длительности импульсов напряжения регулируется момент и мощность двигателя.

Программно управляемая микропроцессорная система, позволяет осуществлять коррекцию естественной механической характеристики при реализации электропривода для тяговой, вентиляторной, крановой, экскаваторной и другими типами нагрузок.

ИД характеризуется длительной и безотказной работой в динамических режимах с частыми пусками и остановками. При этом пуск механизма осуществляется плавно. В ИД отсутствуют пусковые токи. При запуске величина токов не превышает номинальных значений. Максимальная частота управляющих импульсов не превышает 250 – 300 Гц.

ИД обладает уникальным свойством, принципиально отличающим его от других электрических машин, которое обеспечивает его повышенную живучесть, – это отсутствие обмоток ротора, отсутствие скользящего контакта, магнитная и электрическая независимость его фаз. Поэтому повреждение какой-либо одной или нескольких катушек не приводит к полной потере работоспособности привода, как у двигателей постоянного и переменного тока, а только частично снижает его мощность.

По сравнению с частотно-регулируемым асинхронным двигателем индукторный двигатель имеет более высокий КПД (на 3–5 %) при таких же габаритах.

Основные преимущества индукторного привода

 
Основные преимущества индукторного привода (ИП), определенные в результате многолетнего опыта разработок и исследований, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом:

• Высокая перегрузочная способность двигателя в пусковом режиме порядка 4-х кратной номинальной величины вращающего момента и выше при соответствующем выборе элементной базы преобразователя;
• Важнейшим, с точки зрения энергосбережения, преимуществом ИП является сохранение высокого значения КПД двигателя, близкого к номинальному (для крупных машин 97-98%), в часто встречающихся режимах работы с неполной нагрузкой на валу;
• Более высокий КПД преобразователя (инвертора) за счет работы на низкой частоте 100-300 Гц в отличие от инвертора асинхронного двигателя (АД), работающего в режиме ШИМ на частотах в 2500 Гц;
• Высокое быстродействие за счет малой инерционности без обмоточного ротора и полностью шихтованной ферромагнитной системы статора и ротора, точность управления моментом, возможность плавного регулирования частоты, вращения в широком диапазоне при фазовом управлении ИП без использования преобразователя ОС/ОС для регулирования постоянного напряжения на входе инвертора (необходимого для АД), что также повышает КПД ИП;
• Простота конструкции магнитопроводов статора, ротора и катушечных обмоток двигателя, не имеющих пересекающихся лобовых частей, обеспечивает высокую технологичность, повышенные надежность, долговечность и ремонтопригодность;
• Ротор двигателя не содержит обмоток, поэтому от него не требуется отвод тепла;
• Высокая надежность силового инвертора, обусловленная схемными решениями, исключающими в нем возможность сквозных коротких замыканий;
• Повышенная живучесть ИП за счет магнитной независимости фазных обмоток в двигателе и электрической независимости фазных блоков в преобразователе питания, поэтому повреждение какой-либо одной или нескольких фаз приводит не к полной потере работоспособности привода, как у АД, а к частичному снижению мощности.

Примеры индукторных приводов, разработанных и сделанных нашим предприятием

 

Электродвигатели ИД-45 хода бурового станка СБШ-250, мощность 45 кВт

Электродвигатель ИД-120 вращения бурового става СБШ-250, мощность 120 кВт изготовлен в корпусе двигателя постоянного тока ДПВ-52, мощностью 60 кВт.

Электродвигатель ИД-1,1. Мощность 1,1 кВт

Электродвигатель ИД-2000 привода гребного винта морского буксира мощность 2 МВт

Электродвигатель ИД-1250, мощность 1250 кВт (заказчик ОАО «Алросса»)

Индукторный тяговый электродвигатель

Первый этап применения индукторного тягового двигателя предусматривает его работу в классическом варианте, т.е. с применением редуктора. При внедрении второго варианта (без редуктора) индукторный двигатель располагается на оси колесной пары, обслуживание редуктора, кожухов, опорных подшипников – отпадает.

Рис. — Ротор и статор разрабатываемого индукторного тягового двигателя для горнорудной промышленности

Заявленная для разработки мощностью двигателя составляет 520 кВт.

Рис. — Внешний вид разрабатываемого индукторного тягового электродвигателя

Индукторный привод ИП-40

На железнодорожном транспорте, работающем на переменном однофазном напряжении, в качестве вспомогательных приводов (вентилятор обдува, компрессор, масляный насос и пр.)  используются асинхронные двигатели. Существует два основных способа преобразования однофазного напряжения для питания 3-х фазных асинхронных двигателей. Первый — это преобразование однофазного напряжения в трехфазное, второй – использование искусственной, конденсаторной фазы. Оба способа имеют недостатки в части качества питающего напряжения, которые негативно сказываются на работе асинхронных электрических машин.

Разработаны приводы для однофазной сети с номинальным напряжением 10 000 В, для тяговых агрегатов в горнорудной промышленности. Индукторный привод вентиляторов обдува оборудования и индукторный привод компрессора с индукторным двигателем ИД-40. Двигатель ИД-40 изготавливается с массогабаритными параметрами асинхронных двигателей типа НВА-55, АНЭ-225, АЭ-92 и их аналогов, применяемых на железнодорожном транспорте. В таблице предоставлены технические характеристики двигателей.

Таблица 1 — Параметры сети, блока управления и двигателя

Параметр	Двигатель ИД-40В	Двигатель ИД-40К
	Привод вентилятора обдува и компрессора	Привод компрессора
Параметры питающей сети блока управления: — напряжение, В — частота, Гц — количество фаз	400 50 1
Габариты блока управления не более, мм	600 х 300 х 250	750 х 400 х 400
Мощность блока управления, кВт	45	60
Степень защиты блока управления по ГОСТ 14254-96	IP52	IP52
Рабочий диапазон питающего напряжения блока управления, В	300…500	300…500
Номинальная частота вращения двигателя, об/мин	1500	3000
Необходимая мощность двигателя, кВт	40	53
Крутящий момент на валу двигателя, Н*м	254	168
Вращение вала двигателя.	Реверсивное	По часовой стрелке
Количество зубцов статора (катушек), шт.	18	18
Количество фаз	3	3
Количество катушек на фазу, шт.	6 (соединение последовательное)	6 (соединение последовательно-параллельное)
Количество выводных концов, шт.	6	6
Количество зубцов ротора, шт.	12	12
Режим работы по ГОСТ 183-74	S1 (продолжительный)	S1 (продолжительный)
Способ пуска	плавный	плавный
Степень защиты по ГОСТ 17494-87	IP21	IP21
Способ монтажа по ГОСТ 2479-79	IM1001	IM1001

Рис. —  а) – индукторный двигатель ИД-40.  б) – силовой блок управления.

В целях экономии электроэнергии в блоках управления двигателем предусмотрена обратная связь в функции скорости вращения вала двигателя. Датчиками, воздействия на обратную связь, предусмотрены контроль за температурой нагрева охлаждаемого объекта, за давлением в пневмосистеме. Тип применяемых датчиков согласовывается с Заказчиком.

В блоке управления предусмотрена клеммная коробка для подключения и передачи основных данных работы БУ и ИД-40 на пульт управления агрегатами.

Блок управления имеет защиты:

1. От внутренних и внешних коротких замыканий;
2. От перегрузки по току;
3. Тепловую защиту;
4. От обрыва фаз в ИД-40;
5. От превышения максимальной частоты вращения;
6. От заклинивания вала;
7. От пониженного входного напряжения.

---

Компания «Аксиома Света»
дата основания 2009 год.

Электронная почта:
[email protected] 

Индукционный двигатель

 

Класс 214, 17 — 15012

ПАТЕНТ HA ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ индукционного двигателя.

К патенту В. C. Еулебакина, заявленному 22 июня

1928 года (заяв. свид. No 29231).

0 выдаче патента опубликовано 30 апреля 1930 года. Действие патента распространяется на 15 лет от 80 апреля 1930 года.

Одним из недостатков, которым обла- дают обычные индукционные двигатели. является то, что эти двигатели в большинстве случаев для создания магнитного поля требуют от сети намагничивающего тока, вследствие чего эти двигатели, в особенности малой мощности, работают с малым коэфициентом мощности. С целью увеличения коэфициента мощности индукционных двигателей прибегают ко всякого рода комйенсационным устройствам. Однако, в большинстве случаев, компенсационные устройства индукционных двигателей обладают наличием коллектора, который является не особенно желательной частью машины.

В связи с этим обстоятельством является необходимым создание таких двигателей переменного тока, которые бы в своем устройстве не имели коллектора и не требовали постоянного тока для создания магнитного поля, как это имеет место в синхронных двигателях.

Предлагаемое изобретение касается индукционного двигателя с ротором, выполненным из постоянного магнита, и имеет целью создание двигателя. который не требовал бы намагничивающего тока из сети и, следовательно, работал бы с коэфицпентом мощности около единицы.

На чертеже фиг. 1 изображает схему пре слагаемого индукционного двигателя; фиг. 2 †видоизменен его ротора.

Первичная цепь предлагаемого двигателя устраивается так же, как и в обычных двигателях, и все устройство этой части статора ничем не отличается от статора обычных двигателей переменного тока (фиг. 1).

Вторичная цепь двигателя, или ротор 2, выполняется в виде беличьего колеса илп с коротко замкнутой обмоткой, но только, тело ротора выполняется не пз обычной динамной или простой стали, а из магнитной стали, при чем тело ротора предварительно соответствующим образом термически обрабатывается и намагничивается.

Таким образом, ротор превращается в сильный двухполюсный, четырехполюсный или многополюсный постоянный магнит (число полюсов выбирается в зависимости от скорости вращения двигателя и делается равным числу полюсов статора).

Последние успехи в области получения специальных сортов сталей дают возможность создать весьма сильные и устойчивые постоянные магниты; так, например, высококобальтовые стали позволяют изготовлять постоянные магниты, обладающие остаточной магнитной индукцией в

9000+10000 CGS, а задерживающей силой до 250 гауссов. Такой высокосортный материал может быть с успехом использован для постоянных магнитов, геометрическая форма которых оказывает сравнительно малое влияние на уменьшение остаточной магнитной индукции при разомкнутом или полузамкнутом состоянии магнитной цепи. ф ф

Пр едм ет п ате нт а.

Ъ

\

1

1

1

1

Тип. Рилрогр. Упр. Управх. В.-M . Сил РККА. Ленинград здание Гл. Адмиралтейства.

С целью увеличения устойчивости работы двигателя ротор рекомендуется снабжать прорезами, которые делают полюсы. постоянного магнита более выявленными.

Тело ротора может делаться из сплошного куска стали или быть составным из отдельных тонких или толстых плит.

В двигателях большей мощности, с целью экономии в дорогом материале, сердечник ротора предлагается выполнять из обычной стали, а зубцы делать из магнитной стали и вставными так, как это указано на фиг. 2.

В этом случае обмотку располагают в пазах, имеющихся между отдельными магнитами.

Пуск в ход такого двигателя представляет собою не что иное, как пуск в ход возбужденного синхронно-индукционного двигателя, снабженного пусковой обмоткой в виде беличьего колеса. Когда скорость вращения достигает почти до синхронной, двигатель автоматически входит в синхронизм. В дальнейшем двигатель работает, как синхронный двигатель.

1. Индукционный двигатель с ротором, выполненным из постоянного магнита, характеризующийся тем, что постоянный магнит имеет цилиндрическую форму и снабжен короткозамкнутою обмоткою (фиг. 1).

2. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающееся тем, что постоянные магниты в виде зубцов укреплены в теле ротора, а обмотка расположена в пазах, имеющихся между отдельными магнитами (фиг. 2).

  

ВИРД с самовозбуждением, что за чудо и как с ним быть

Давно хотел написать статью про данный тип двигателя, сейчас вот созрел. Сразу прощу прощения за «корявости».
ВИРД расшифровывается как вентильный индукторно-реактивный двигатель, в иностранной литературе SRM (двигатель с переменным магнитным сопротивлением, двигатель с переключаемыми индукторами, т.е. индуктивностями). Двигатель не новый, более 20 лет назад придуман, но применение было ограниченно в силу отсутствия нормальной силовой электроники.
Ну, в общем погнали.

Конструкция двигателя

Существует два типа двигателя: ВИРД с самовозбуждением (СВ) и ВИРД с независимым возбуждением (НВ). Конструктивно двигатель состоит из двух принципиальных частей: подвижной части (ротор) и неподвижной части (статор). Ротор состоит из листов электротехнической стали (или другого магнитного материала с малыми потерями на перемагничивание), по форме в сечении представляет зубцовую структуру. Статор также имеет зубцовую структуру похожую на машины постоянного и переменного токов, но что касается обмотки статора, то она бывает только сосредоточенной, также на статоре может располагаться обмотка возбуждения, если это двигатель с независимым возбуждением.
Далее речь пойдёт только о типе с савозбуждением.
Двигатель называется вентильный индукторно-реактивный, потому что принцип работы основан на изменении индуктивности фаз при вращении ротора, а момент, создаваемый на валу, имеет реактивный характер. Слово вентильный обозначает, в данном случае то, что для работы двигателю требуются ключи, диоды, здесь думаю понятно. Принцип работы более понятно можно сформулировать так: ротор ориентируется в магнитном поле так чтобы оказать наменьшее сопротивление магнитному потоку (индуктивность фазы максимальная), получается своего рода электромагнит, например,

возьмем трёхфазный двигатель в конструктиве 12/8 (12 зубцов на статоре и 8 зубцов на роторе) и подадим ток в обмотку фазы А (обмотки на рисунке не показаны), ротор станет в положении как на рисунке и так далее подавая по очереди ток в фазы В, потом С, ротор будет вращаться против часовой стрелке, значит данный тип двигателей можно отнести к синхронным машинам (ротор двигается синхронно с полем). Есть одна особенность: если число зубцов у ротора меньше чем у статора, то как в примере ротор вращается против вращения поля (коммутация АВС…), если у ротора больше зубцов то ротор вращается в туже сторону, что и поле.
Собственно вот так выглядит статор(без обмотки), ротор и пару обмоток в статоре на самом деле:



Многие могут увидеть сходство с шаговым двигателем, да действительно этот двигатель может работать в шаговом режиме, но у этого двигателя нету постоянных магнитов, и большое значение имеет конфигурация зубцовой зоны (проектируется на стадии расчёта двигателя), также шаговые двигатели обычно имеют ну очень много зубцов, здесь же с такой конфигурацией могут быть двигатели мощностью от 1 кВт до нескольких МВт. Замечу что конфигурации статор/ротор может быть разным и фазность машины может быть любая, наиболее распостранённые 1,2,3,5,6 — ти фазные, справедливости ради 6-ти фазные машины двухпакетные (грубо говоря это две 3-х фазные машины совмешённые в корпусе одной с соответствующим сдвигом).Количество зубцов и фаз влияет на пульсации момента на валу и частоту коммутации фаз.

Инвертор

ВИРД с СВ может работать только с инвертором (в подавляющем большинстве это инвертор напряжения). Классическая структурная схема для привода с ВИРД с СВ на рисунке ниже.

Если исключить из схемы ВИРД и ДПР получим преобразователь.
Звено DC/DC несомненно даёт большую гибкость в управлении, но система становиться сложнее аппаратно, по моему мнению (результаты видел, но сам не программировал именно такой вариант преобразователя) DC/DC звено улучшает ВШХ (виброшумовые характеристики) двигателя. С целью удешевления, да и упрощения, из схемы исключают DC/DC звено и как следствие один датчик напряжения, поэтому далее рассматривать систему будет без этого звена.
Выпрямитель самый простой (неуправляемый 6-ти, 12-ти и т.д. пульсный), фильтр просто набор ёмкостей (хотя есть варианты с дополнительным дросселем), в данном случае фильтр выполняет не только свою непосредственную роль, но и выполняет функции обмена энергией с двигателем (в процессе работы двигатель может возвращать до 50% энергии обратно в ёмкости). Минимальная ёмкость необходимая для работы двигателя рассчитывается при проектировании машины. Схемы инверторов напряжения имеет много разновидностей, но есть лишь одна классическая, которая обеспечивает независимую работу фаз двигателя и обеспечивает работоспособность привода, даже при выходе из строя одной или нескольких фаз. Схема для одной фазы двигателя на рисунке ниже (назовём это фазным модулем).

Для каждой фазы свой фазный модуль. Как можно увидеть в схеме на одну фазу два чоппера (верхний и нижний), то есть получается ассиметричный полумост, ну или косой полумост (не очень нравиться такая формулировка).

Управление

Управление буду описывать только для двигательного режима.
Для подачи импульсов управления согласно положению ротора используют датчик положения ротора. Существуют бездатчиковые методы управления, но во первых практически имеют ограничения и во вторых я знаю только одно практическое упоминание что это работает. Немного отступлюсь: нормально бездатчиковое управление на любом типе привода(асинхронный или постоянные магниты) работает только на медленно меняющихся нагрузках, в каком-то диапазоне скоростей, т.е. имеет ограничения. ДПР может быть двух типов:
1) Имеет один аналоговый сигнал, по которому можно определить абсолютное положение ротора, либо абсолютный энкодер с большим разрешением (менее полуградуса на оборот).
2) Цифровой с количеством выходов соответствующих количеству фаз.
Первый тип достаточно дорог и не применяется. А вот второй хоть и менее точный, но это компенсируется программными средствами.
Для дальнейшего понимания процесса управления все действия буду описывать с одной фазой, например А. Существует понятие геометрические градусы и электрические градусы (эл.град.). Что такое геометрические градусы объяснять думаю не надо (один оборот ротора 360 геом. градусов). А вот под понятием электрические градусы понимают следующее: положение паз ротора — зубец статора называют ноль эл.град., положение зубец ротора — зубец статора считается 180 эл.град. Если поставить зубец(паз) ротора напротив зубца статора и вращать ротор до следующего такого же положения, то получим 360 эл.град.
Следовательно чтобы пересчитать электрические градусы в геометрические нужно
(360 геом.град.)/Z = (360 эл.градусов),
где Z — число зубцов ротора. Ну а другие отношения можно найти из получившейся пропорции.
При одноимпульсном управлении форма тока и напряжения на одной фазе двигателя будет выглядеть так:

Управление можно разделить на три фазы:
1) Включение обоих транзисторов в фазном модуле, в данном случае это от 0 до 120 эл.град. по положению ротора.
2) Один транзистор включён один выключен (неважно какой), в данном случае 120-180 эл.град. по положению ротора.
3) Выключены оба транзистора в фазном модуле, в данном случае 180-360(0) эл.град. по положению ротора.
На приведённом рисунке импульс подаётся в нулевом положении ротора, длительность импульса 120 эл.град., длительность медленной «расфорсировки» фазы 60 эл.град. (180-120=60), далее идёт быстрая «расфорсировка» фазы (процесс напрямую не контролируемый). Из этого следует что для управления двигателем нужно три параметра:
1) Угол включения, подачи импульса (в данном случае ноль).
2) Длительность импульса (в данном случае 120 эл.град.).
3) Длительность медленной «расфорсировки» фазы (в данном случае 60 эл.град.).
Для того чтобы управлять m-фазным двигателем нужно знать точку отчёта каждой фазы, для этого у ДПР и имеется индивидуальный сигнал для каждой фазы (либо можно всё считать от сигнала ДПР какой то одной фазы с соответствующими сдвигами эл.град.)
Стоит отметить что третий параметр управления вводится для улучшения ВШХ и повышения КПД привода.
Одно импульсный режим хорош тем что частота коммутаций будет определяться оборотами и числом зубцов ротора:
Частота коммутаций = (частота вращения в герцах)*Z.
Например: при числе зубцов ротора 12 и частоте вращения 1000 об/мин, частота коммутаций 200 Гц.
Но есть небольшое но — это если рассматривать пуск двигателя с нуля то может потребоваться использование ШИМ одного из двух ключей, для ограничения тока через транзисторы, но опять же это пока двигатель не выйден на режим одноимпульсного управления, соответственно в момент подачи импульса форма тока будет напоминать ступеньки.

И в итоге

В чём преимущества этого привода можно почитать например здесь, чтобы не писать тоже самое сюда:
ru.wikipedia.org/wiki/Вентильный_реактивный_электродвигатель
Недостаток пожалуй самый главный в том, что нету массового производства такого привода и как следствие цена даже маломощных приводов выходит дороже чем аналогичного по мощности другого типа приводов, хотя конструкция машины проще не придумаешь.
По поводу где это используется имею следующие данные: приводы насосов, холодильных установок, тяговые привода и т.п. Известные реализации из машин большой мощности: 2МВт — гребной двигатель, 4х1300 кВт — групповой привод конвеера.
Ну и так напоследок уже достаточно давно на ВАЗе существует безщеточный генератор ВИРД 5-ть фаз с НВ.
Также можно приводом играть мелодии примитивные:): www.youtube.com/watch?v=rLarlESmw0g&feature=youtu.be

Однофазные электродвигатели. Виды, принцип действия, схемы включения однофазных электродвигателей.

Однофазные электродвигатели

Зачастую основное внимание уделяется изучению трёхфазных электродвигателей, частично в связи с тем, что трёхфазные электродвигатели применяются чаще, чем однофазные. Однофазные электродвигатели имеют тот же принцип действия, что и трёхфазные электродвигатели, только с более низкими пусковыми моментами. Они подразделяются по типам в зависимости от способа пуска.

Стандартный однофазный статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° по отношению друг к другу. Одна из них считается главной обмоткой, другая — вспомогательной, или пусковой. В соответствии с количеством полюсов каждая обмотка может делиться не несколько секций.

На рисунке приведен пример двухполюсной однофазной обмотки с четырьмя секциями в главной обмотке и двумя секциями во вспомогательной.

Следует помнить, что использование однофазного электродвигателя — это всегда, своего рода, компромисс. Конструкция того или иного двигателя зависит, прежде всего, от поставленной задачи. Это значит, что все электродвигатели разрабатываются в соответствии с тем, что наиболее важно в каждом конкретном случае: например, КПД, вращающий момент, рабочий цикл и т.д. Из-за пульсирующего поля однофазные электродвигатели CSIR и RSIR могут иметь более высокий уровень шума по сравнению с двухфазными электродвигателями PSC и CSCR, которые работают намного тише, так как в них используется пусковой конденсатор. Конденсатор, через который производится пуск электродвигателя, способствует его плавной работе.

Основные типы однофазных индукционных электродвигателей

Бытовая техника и приборы низкой мощности работают от однофазного переменного тока, кроме того, не везде может быть обеспечено трёхфазное электропитание. Поэтому однофазные электродвигатели переменного тока получили широкое распространение, особенно в США. Очень часто электродвигателям переменного тока отдают предпочтение, так как их отличает прочная конструкция, низкая стоимость, к тому же они не требуют технического обслуживания.

Как видно из названия, однофазный индукционный электродвигатель работает по принципу индукции; тот же принцип действует и для трёхфазных электродвигателей. Однако между ними есть различия: однофазные электродвигатели, как правило, работают при переменном токе и напряжении 110 -240 В, поле статора этих двигателей не вращается. Вместо этого каждый раз при скачке синусоидального напряжения от отрицательного к положительному меняются полюса.

В однофазных электродвигателях поле статора постоянно выравнивается в одном направлении, а полюса меняют своё положение один раз в каждом цикле. Это означает, что однофазный индукционный электродвигатель не может быть пущен самостоятельно.

Теоретически, однофазный электродвигатель можно было бы запустить при помощи механического вращения двигателя с последующим немедленным подключением питания. Однако на практике пуск всех электродвигателей осуществляется автоматически.

Выделяют четыре основных типа электродвигателей:

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор / работа через обмотку (индуктивность) (CSIR),

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор/работа через конденсатор (CSCR),

• индукционный двигатель с реостатным пуском (RSIR) и

• двигатель с постоянным разделением емкости (PSC).

На приведённом ниже рисунке показаны типичные кривые соотношения вращающий момент/частота вращения для четырёх основных типов однофазных электродвигателей переменного тока.

Однофазный электродвигатель с пуском через конденсатор/работа через обмотку (CSIR)

Индукционные двигатели с пуском через конденсатор, которые также известны как электродвигатели CSIR, составляют самую большую группу однофазных электродвигателей.

Двигатели CSIR представлены несколькими типоразмерами: от самых маломощных до 1,1 кВт. В электродвигателях CSIR конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой. Конденсатор вызывает некоторое отставание между током в пусковой обмотке и в главной обмотке.

Это способствует задержке намагничивания пусковой обмотки, что приводит к появлению вращающегося поля, которое влияет на возникновение вращающего момента. После того как электродвигатель наберёт скорость и приблизится к рабочей частоте вращения, открывается пускатель. Далее электродвигатель будет работать в обычном для индукционного электродвигателя режиме. Пускатель может быть центробежным или электронным.

Двигатели CSIR имеют относительно высокий пусковой момент, в диапазоне от 50 до 250 процентов от вращающего момента при полной нагрузке. Поэтому из всех однофазных электродвигателей эти двигатели лучше всего подходят для случаев, когда пусковые нагрузки велики, например для конвейеров, воздушных компрессоров и холодильных компрессоров.

Однофазный электродвигатель с пуском через конденсатор/ работа через конденсатор (CSCR)

Этот тип двигателей, которые коротко называются «электродвигатели CSCR», сочетает в себе лучшие свойства индукционного двигателя с пуском через конденсатор и двигателя с постоянно подключённым конденсатором. Несмотря на то, что из-за своей конструкции эти двигатели несколько дороже других однофазных электродвигателей, они остаются наилучшим вариантом для применения в сложных условиях. Пусковой конденсатор электродвигателя CSCR последовательно соединён с пусковой обмоткой, как и в электродвигателе с пуском через конденсатор. Это обеспечивает высокий пусковой момент.

Электродвигатели CSCR также имеют сходство с двигателями с постоянным разделением емкости (PSC), так как у них пуск тоже осуществляется через конденсатор, который последовательно соединён с пусковой обмоткой, если пусковой конденсатор отключен от сети. Это означает, что двигатель справляется с максимальной нагрузкой или перегрузкой.

Электродвигатели CSCR могут использоваться для работы с низким током полной нагрузки и при более высоком КПД. Это даёт некоторые преимущества, в том числе обеспечивает работу двигателя с меньшими скачками температуры, в сравнении с другими подобными однофазными электродвигателями.

Электродвигатели CSCR — самые мощные однофазные электродвигатели, которые могут использоваться в сложных условиях, например, в насосах для перекачивания воды под высоким давлением и в вакуумных насосах, а также в других высокомоментных процессах. Выходная мощность таких электродвигателей лежит в диапазоне от 1,1 до 11 кВт.

Однофазный электродвигатель с пуском через сопротивление/работа через обмотку (индуктивность) (RSIR)

Данный тип двигателей ещё известен как «электродвигатели с расщеплённой фазой». Они, как правило, дешевле однофазных электродвигателей других типов, используемых в промышленности, но у них также есть некоторые ограничения по производительности.

Пусковое устройство электродвигателей RSIR включает в себя две отдельные обмотки статора. Одна из них используется исключительно для пуска, диаметр проволоки данной обмотки меньше, а электрическое сопротивление — выше, чем у главных обмоток. Это вызывает отставание вращающегося поля, что, в свою очередь, приводит в движение двигатель. Центробежный или электронный пускатель отсоединяет пусковую обмотку, когда частота вращения двигателя достигает, приблизительно, 75% от номинальной величины. После этого электродвигатель продолжит работу в соответствии со стандартными принципами действия индукционного электродвигателя.

Как уже говорилось раньше, для электродвигателей RSIR есть некоторые ограничения. У них низкие пусковые моменты, часто в диапазоне от 50 до 150 процентов от номинальной нагрузки. Кроме того, электродвигатель создаёт высокие пусковые токи, приблизительно от 700 до 1000% от номинального тока. В результате продолжительное время пуска будет вызывать перегрев и разрушение пусковой обмотки. Это означает, что электродвигатели данного типа нельзя использовать там, где необходимы большие пусковые моменты.

Электродвигатели RSIR рассчитаны на узкий диапазон напряжения питания, что, естественно, ограничивает области их применения. Их максимальные вращающие моменты варьируются в пределах от 100 до 250% от расчетной величины. Необходимо также отметить, что дополнительной трудностью является установка тепловой защиты, так как довольно сложно найти защитное устройство, которое срабатывало бы достаточно быстро, чтобы не допустить прогорания пусковой обмотки. Электродвигатели RSIR подходят для использования в небольших приборах для рубки и перемалывания, вентиляторах, а также для применения в других областях, в которых допускается низкий пусковой момент и требуемая выходная мощность на валу от 0,06 кВт до 0,25 кВт. Они не используются там, где должны быть высокие вращающие моменты или продолжительные циклы.

Однофазный электродвигатель с постоянным разделение емкости (PSC)

Как видно из названия, двигатели с постоянным разделением емкости (PSC) оснащены конденсатором, который во время работы постоянно включен и последовательно соединён с пусковой обмоткой. Это значит, что эти двигатели не имеют пускателя или конденсатора, который используется только для пуска. Таким образом, пусковая обмотка становится вспомогательной обмоткой, когда электродвигатель достигает рабочей частоты вращения.

Конструкция электродвигателей PSC такова, что они не могут обеспечить такой же пусковой момент, как электродвигатели с пусковыми конденсаторами. Их пусковые моменты достаточно низкие: 30-90% от номинальной нагрузки, поэтому они не используются в системах с большой пусковой нагрузкой. Это компенсируется за счёт низких пусковых токов — обычно меньше 200% от номинального тока нагрузки, — что делает их наиболее подходящими двигателями для областей применения с продолжительным рабочим циклом.

Двигатели с постоянным разделением емкости имеют ряд преимуществ. Рабочие параметры и частоту вращения таких двигателей можно подбирать в соответствии с поставленными задачами, к тому же они могут быть изготовлены для оптимального КПД и высокого коэффициента мощности при номинальной нагрузке. Так как они не требуют специального устройства пуска, их можно легко реверсировать (изменить направление вращения на обратное). В дополнение ко всему вышесказанному, они являются самыми надёжными из всех однофазных электродвигателей. Вот почему Grundfos использует однофазные электродвигатели PSC в стандартном исполнении для всех областей применения с мощностями до 2,2 кВт (2-полюсные) или 1,5 кВт (4-полюсные).

Двигатели с постоянным разделением емкости могут использоваться для выполнения целого ряда различных задач в зависимости от их конструкции. Типичным примером являются низкоинерционные нагрузки, например вентиляторы и насосы.

Двухпроводные однофазные электродвигатели

Двухпроводные однофазные электродвигатели имеют две главные обмотки, пусковую обмотку и рабочий конденсатор. Они широко используются в США с однофазными источниками питания: 1 ½ 115 В / 60 Гц или 1 ½ 230 В / 60 Гц. При правильном подключении данный тип электродвигателей можно использовать для обоих видов электропитания.

Ограничения однофазных электродвигателей

В отличие от трёхфазных для однофазных электродвигателей существуют некоторые ограничения. Однофазные электродвигатели ни в коем случае не должны работать в режиме холостого хода, так как при малых нагрузках они сильно нагреваются, также рекомендуется эксплуатировать двигатель при нагрузке меньшей 25% от полной нагрузки.

Электродвигатели PSC и CSCR имеют симметричное/ круговое вращающееся поле в одной точке приложения нагрузки; это значит, что во всех остальных точках приложения нагрузки вращающееся поле асимметричное/эллиптическое. Когда электродвигатель работает с асимметричным вращающимся полем, сила тока в одной или обеих обмотках может превышать силу тока в сети. Такие избыточные токи вызывают потери, в связи с этим одна или обе обмотки (что чаще происходит при полном отсутствии нагрузки) нагреваются, даже если ток в сети относительно небольшой. Смотрите примеры.

О напряжении в однофазных электродвигателях

Важно помнить о том, что напряжение на пусковой обмотке электродвигателя может быть выше сетевого напряжения питания электродвигателя. Это относится и к симметричному режиму работы. Смотрите пример.

Изменение напряжения питания

Нужно отметить, что однофазные электродвигатели обычно не используются для больших интервалов напряжения, в отличие от трёхфазных электродвигателей. В связи с этим может возникнуть потребность в двигателях, которые могут работать с другими видами напряжения. Для этого необходимо внести некоторые конструкционные изменения, например, нужна дополнительная обмотка и конденсаторы различной ёмкости. Теоретически, ёмкость конденсатора для различного сетевого напряжения (с одной и той же частотой) должна быть равна квадрату отношения напряжений:

Таким образом, в электродвигателе, рассчитанном на питание от сети в 230 В, используется конденсатор 25µФ/400 В, для модели электродвигателя на 115 В необходим конденсатор ёмкостью 100µФ с маркировкой более низкого напряжения — например 200 В.

Иногда выбирают конденсаторы меньшей ёмкости, например 60µФ. Они дешевле и занимают меньше места. В таких случаях обмотка должна подходить для определённого конденсатора. Нужно учитывать, что производительность электродвигателя при этом будет меньше, чем с конденсатором ёмкостью 100µФ — например, пусковой момент будет ниже.

Заключение

Однофазные электродвигатели работают по тому же принципу, что и трёхфазные. Однако у них более низкие пусковые моменты и значения напряжения питания (110-240В).

Однофазные электродвигатели не должны работать в режиме холостого хода, многие из них не должны эксплуатироваться при нагрузке меньше 25 % от максимальной, так как это вызывает повышение температуры внутри электродвигателя, что может привести к его поломке.