Индукционный двигатель что это такое

Индукционные двигатели и мотор-редукторы переменного тока

В современной промышленности крайне востребованы надежные и удобные в эксплуатации двигатели. Одним из вариантов решения этой проблемы являются индукционные электродвигатели переменного тока. По конструкции они схожи с асинхронными электродвигателями. Ток в обмотке ротора такого двигателя индуцируется вращающимся полем статора. Однако для управления АС индукционными двигателями не нужен частотный преобразователь. Двигатели питаются напрямую от сети ~220 В с использованием пускового конденсатора. После подключения питания двигатель самостоятельно раскручивается и выходит на рабочий режим с параметрами, заявленными в технических характеристиках. Кроме того, существуют модели с возможностью регулирования частоты вращения ротора.

По сравнению с коллекторными электродвигателями, индукционные двигатели более надежны, поскольку в их конструкции отсутствует коллекторный узел.

К преимуществам индукционных двигателей относятся:

• простая конструкция;
• отсутствие электрического контакта с динамической частью машины;
• долговечность;
• низкие затраты на обслуживание;
• высокий КПД;
• прямой пуск от сети переменного тока 220 В.
Кроме промышленности, индукционные двигатели применяются и в быту. Например, в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.

Компания Purelogic R&D предлагает широкий ассортимент индукционных электродвигателей и мотор-редукторов различных размеров и мощности (фланцы 60, 70, 80, 90 и 104 мм). Кроме этого, в каталоге компании представлены двигатели с электрическим тормозом, двигатели с реверсом и двигатели с возможностью регулирования оборотов вращения. Мотор-редукторы построены на базе индукционных электродвигателей и цилиндрических, конических или червячных редукторов.

Индукторный электродвигатель

Индукторный электродвигатель — это устройство, используемое для преобразования электрической энергии в механическую. Он является одним из самых распространенных типов электродвигателей благодаря своей простоте и надежности. Индукторные электродвигатели работают на основе принципа электромагнитной индукции и используются в различных отраслях промышленности.

Основными компонентами индукторного электродвигателя являются статор и ротор. Статор состоит из обмотки, обмоточного железа и магнитопровода. Ротор представляет собой вращающуюся часть электродвигателя, которая содержит обмотку и якорь. При подаче электрического тока на статор возникает магнитное поле, которое вызывает вращение ротора и в результате — механическое движение.

Индукторные электродвигатели могут работать с переменным и постоянным током. Их преимущества включают высокую эффективность, долговечность и низкую стоимость. Они широко применяются в таких областях, как промышленность, сельское хозяйство, строительство и транспорт. Благодаря своей надежности и простоте в использовании, индукторные электродвигатели являются предпочтительным выбором для многих производителей и потребителей электроэнергии.

Индукторный электродвигатель — важное устройство для множества областей

Основным принципом работы индукторного электродвигателя является преобразование электрической энергии в механическую. Он состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор представляет собой неподвижную обмотку, а ротор — вращающуюся часть. Подавая на статор переменное напряжение, создается переменное магнитное поле, в котором вращается ротор, обеспечивая механическое движение.

Индукторные электродвигатели применяются в различных областях. В промышленности они используются в насосах, вентиляторах, компрессорах, приводах для оборудования и многих других механизмах. В быту они применяются в холодильниках, стиральных машинах, кондиционерах и других бытовых приборах. В транспорте они используются в электрических автомобилях, поездах и других транспортных средствах.

Одним из преимуществ индукторных электродвигателей является их надежность и долговечность. Они имеют высокую эффективность, что позволяет значительно сэкономить электроэнергию. Кроме того, они обладают небольшими габаритами и массой, что делает их компактными и удобными в установке.

Индукторные электродвигатели являются одним из ключевых элементов в многих технических системах и играют важную роль во множестве областей. Благодаря своей надежности, эффективности и компактности, они обеспечивают стабильную работу различных устройств и оборудования.

Определение и принцип работы

Принцип работы индукторного электродвигателя заключается в использовании магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, для генерации движущей силы. Статор состоит из трех обмоток, размещенных в трех равноотстоящих положениях вокруг якоря. Подача переменного тока через обмотку создает переменное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов, расположенных на роторе.

Под действием вращающегося магнитного поля ротор начинает двигаться, приводя в движение механизм, к которому он подсоединен. Большая часть энергии, производимой в индукторном электродвигателе, расходуется на создание магнитного поля, поэтому такие двигатели обладают высокой эффективностью.

Преимущества и области применения

1. Высокая энергоэффективность: Индукторные электродвигатели имеют высокий КПД, что позволяет значительно снизить энергопотребление и экономить затраты на электроэнергию.

2. Надежность и долговечность: Благодаря простоте конструкции и отсутствию механических контактов, индукторные электродвигатели обладают высокой надежностью и долговечностью, что позволяет использовать их в условиях высоких нагрузок и интенсивных рабочих циклов.

3. Плавный пуск и регулировка скорости: Индукторные электродвигатели обеспечивают плавный пуск и плавную регулировку скорости, что увеличивает комфорт и безопасность эксплуатации.

4. Малый уровень шума: Индукторные электродвигатели работают более тихо по сравнению с другими типами электродвигателей, что делает их подходящими для применения в сферах, где важна низкая шумо- и вибро-нагрузка.

5. Широкий спектр применения: Индукторные электродвигатели подходят для использования в различных отраслях промышленности, включая производство автомобилей, пищевую промышленность, нефтегазовую промышленность, металлургию и многое другое.

В итоге, индукторные электродвигатели являются превосходным выбором благодаря своим выдающимся характеристикам и широкому спектру применения в различных отраслях промышленности.

Ключевые особенности и характеристики

Индукторный электродвигатель – это электрический двигатель, который работает на принципе индукции электромагнитного поля. Основная особенность индукторных электродвигателей заключается в их высокой эффективности и надежности.

Одной из ключевых характеристик индукторных электродвигателей является разноскоростная работа. Это означает, что двигатель может выполнять работу с различными скоростями в зависимости от требований процесса. Такая гибкость позволяет электродвигателям эффективно функционировать в различных отраслях промышленности.

Другой важной характеристикой является высокий крутящий момент на низких оборотах. Индукторный электродвигатель способен развивать большую силу вращения даже при низких оборотах, что делает его идеальным для задач, требующих большой мощности на старте или в условиях низкой скорости.

Также стоит отметить, что индукторные электродвигатели обладают высокой энергоэффективностью. Благодаря особенностям своего дизайна, они обеспечивают минимальные потери энергии и максимальную производительность. Это позволяет снизить энергопотребление и эксплуатационные расходы.

Кроме того, индукторные электродвигатели отличаются длительным сроком службы и надежностью в работе. Благодаря отсутствию щеток и коммутатора, они испытывают меньше износа и требуют меньше обслуживания по сравнению с другими типами электродвигателей.

Современные индукторные электродвигатели также обладают высокой точностью управления. Они могут быть легко интегрированы в автоматические системы управления и регулирования, что позволяет точно контролировать их работу и реагировать на изменения процессов.

Технические параметры и конструкция

Основные технические параметры индукторных электродвигателей включают мощность, напряжение питания, число оборотов в минуту, эффективность и вес. Мощность определяет способность электродвигателя производить работу, а напряжение питания указывает на требования к питающей сети. Число оборотов в минуту характеризует скорость вращения ротора, а эффективность показывает, насколько эффективно электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Вес электродвигателя также играет важную роль, особенно при его установке и транспортировке.

Конструкция индукторных электродвигателей включает в себя корпус, ротор, индукторы и систему охлаждения. Корпус обычно выполнен из прочного металла, чтобы обеспечить защиту внутренних компонентов от повреждений и поддерживать систему охлаждения. Ротор, который является основным движущимся элементом, состоит из витков провода и ферромагнитных материалов. Индукторы служат для создания магнитного поля, которое взаимодействует с ротором и обеспечивает вращение. Система охлаждения обеспечивает отвод тепла, который генерируется в процессе работы электродвигателя.

Параметр	Значение
Мощность	от 0.5 до 1000 кВт
Напряжение питания	220-440 В
Число оборотов в минуту	от 500 до 3600 об/мин
Эффективность	от 80% до 95%
Вес	от 10 до 1000 кг

Сравнение с другими типами электродвигателей

Индукторные электродвигатели предлагают множество преимуществ по сравнению с другими типами электродвигателей, такими как синхронные и постоянного тока.

Преимущества по сравнению с синхронными электродвигателями

В отличие от синхронных электродвигателей, индукторные электродвигатели могут работать без внешней нагрузки, что делает их более универсальными и эффективными.

Кроме того, индукторный электродвигатель имеет более широкий диапазон рабочих оборотов, что позволяет использовать его в различных приложениях с переменной скоростью вращения.

Преимущества по сравнению с электродвигателями постоянного тока

По сравнению с электродвигателями постоянного тока, индукторные электродвигатели имеют более высокий КПД и меньше требуют обслуживания.

Индукторные электродвигатели также могут обеспечивать более высокую мощность и более широкий диапазон скоростей, что делает их предпочтительным выбором для приложений, требующих высокой точности и контроля скорости.

Однако, следует отметить, что каждый тип электродвигателя имеет свои особенности и применимость в различных ситуациях, поэтому выбор оптимального типа зависит от конкретных требований и условий эксплуатации.

Производители и модели на рынке

На рынке представлено множество производителей индукторных электродвигателей, каждый из которых предлагает свои модели. Рассмотрим некоторых из них:

ABB

Компания ABB является одним из лидеров в производстве индукторных электродвигателей. Они предлагают широкий спектр моделей, от простых для использования в бытовых приложениях до сложных для промышленного использования.

Siemens

Siemens также является крупным производителем индукторных электродвигателей. Они известны своими высокотехнологичными решениями и широким выбором моделей для различных отраслей промышленности.

WEG

Компания WEG предлагает индукционные электродвигатели высокого качества. Их модели характеризуются надежностью, эффективностью работы и долгим сроком службы.

Кроме того, на рынке представлены и другие производители, такие как Schneider Electric, Nidec, Yaskawa и другие. Контролируйте спецификации и требования к своему проекту, чтобы выбрать оптимальную модель индукторного электродвигателя.

Практические примеры использования

Индукторные электродвигатели применяются в широком спектре отраслей промышленности, благодаря своим уникальным характеристикам и преимуществам. Ниже приведены некоторые практические примеры использования индукторных электродвигателей:

Промышленное производство: индукторные электродвигатели широко применяются в различных промышленных процессах, включая производство металлической и пластмассовой продукции, текстильной промышленности, пищевой промышленности и других. Они обеспечивают высокую эффективность и точность управления.
Энергетика: индукторные электродвигатели используются в энергетических установках для преобразования электрической энергии в механическую. Они обеспечивают надежную работу и поддерживают стабильность процессов.
Транспорт: индукторные электродвигатели применяются в различных видов транспорта, включая железнодорожный транспорт, автомобильную промышленность и грузовой транспорт. Они обеспечивают высокие показатели производительности и надежности.
Подъемно-транспортные механизмы: индукторные электродвигатели используются в грузоподъемных машинах, кранах, лифтах и других подъемных устройствах. Они обеспечивают точное и плавное управление в процессе подъема и перемещения грузов.
Химическая промышленность: индукторные электродвигатели применяются в химической промышленности для работы с реакторами, смесителями и другими процессами, требующими точного и интенсивного перемешивания.

Это лишь некоторые примеры использования индукторных электродвигателей, их разнообразие и применимость позволяют использовать их в широком спектре отраслей промышленности и других сферах деятельности.

Вопрос-ответ:

Что такое индукторный электродвигатель?

Индукторный электродвигатель — это тип электродвигателя, который использует электромагнитные индукционные явления для преобразования электрической энергии в механическую. Он состоит из статора и ротора, расположенных подобно другим типам электродвигателей, но с дополнительным индуктором, который создает магнитное поле и влияет на вращение ротора.

Как работает индукторный электродвигатель?

Индукторный электродвигатель работает путем создания магнитного поля в индукторе, который находится на статоре. Это магнитное поле влияет на ротор электродвигателя, вызывая его вращение. Энергия передается от статора к ротору благодаря явлению электромагнитной индукции. Скорость вращения и направление вращения может быть контролируемыми с помощью изменения электрического тока, проходящего через индуктор.

Где применяется индукторный электродвигатель?

Индукторные электродвигатели широко применяются в различных отраслях промышленности и быта. Они часто используются в насосах, компрессорах, вентиляторах, конвейерах, судовых двигателях и других устройствах. Также они могут использоваться в бытовых приборах, таких как стиральные машины, кондиционеры, холодильники и т.д.

Каковы преимущества и недостатки индукторного электродвигателя?

Основные преимущества индукторных электродвигателей включают высокую надежность, долговечность, простоту установки и обслуживания, низкий уровень шума и вибрации. Они также обладают высокой энергоэффективностью и могут работать с различными источниками электрического тока. Однако недостатками являются высокие начальные затраты на покупку и установку, а также ограниченная возможность регулировки скорости и крутящего момента.

Что такое индукторный электродвигатель?

Индукторный электродвигатель — это электрический двигатель, который работает на основе принципа электромагнитного взаимодействия. Он использует индукционные явления для приведения двигателя в движение. Главной особенностью индукторных электродвигателей является наличие индукторного кольца, которое создает переменное магнитное поле и индуцирует электромагнитную силу, вызывающую вращение ротора. Индукторный электродвигатель широко применяется в различных отраслях промышленности, таких как металлургия, нефтегазовая промышленность, машиностроение и другие.

Как работает индукторный электродвигатель?

Индукторный электродвигатель работает по принципу индукции. Когда переменный ток подается на обмотку индукторного кольца, она создает переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле индуцирует в роторе электромагнитную силу, которая заставляет ротор вращаться. Вращение ротора передается на вал двигателя и используется для приведения в движение механизма или оборудования. Индукторные электродвигатели обладают высокой надежностью, эффективностью и экономичностью, поэтому они широко применяются в различных отраслях промышленности.

Какие преимущества имеют индукторные электродвигатели?

Индукторные электродвигатели обладают несколькими преимуществами по сравнению с другими типами электродвигателей. Во-первых, они имеют высокую эффективность и экономичность в использовании электроэнергии, что позволяет снизить энергозатраты. Во-вторых, они обладают высоким крутящим моментом на низких скоростях, что делает их идеальным выбором для привода тяжелых нагрузок. Кроме того, индукторные электродвигатели отличаются надежностью и долговечностью, благодаря чему требуют минимального обслуживания. Их широкое применение в промышленности говорит о их популярности и эффективности.

Электродвигатели: какие они бывают

В прошлых статьях был рассмотрен принцип работы синхронного и асинхронного электродвигателей, а также рассказано, как ими управлять. Но видов электродвигателей существует гораздо больше! И у каждого из них свои свойства, область применения и особенности.

В этой статье будет небольшой обзор по разным типам электродвигателей с фотографиями и примерами применений. Почему в пылесос ставятся одни двигатели, а в вентилятор вытяжки другие? Какие двигатели стоят в сегвее? А какие двигают поезд метро?

Каждый электродвигатель обладает некоторыми отличительными свойствами, которые обуславливают его область применения, в которой он наиболее выгоден. Синхронные, асинхронные, постоянного тока, коллекторные, бесколлекторные, вентильно-индукторные, шаговые… Почему бы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания, не изобрести пару типов, довести их до совершенства и ставить их и только их во все применения? Давайте пройдемся по всем типам электродвигателей, а в конце обсудим, зачем же их столько и какой двигатель «самый лучший».

Двигатель постоянного тока (ДПТ)

С этим двигателем все должны быть знакомы с детства, потому что именно этот тип двигателя стоит в большинстве старых игрушек. Батарейка, два проводка на контакты и звук знакомого жужжания, вдохновляющего на дальнейшие конструкторские подвиги. Все ведь так делали? Надеюсь. Иначе эта статья, скорее всего, не будет вам интересна. Внутри такого двигателя на валу установлен контактный узел – коллектор, переключающий обмотки на роторе в зависимости от положения ротора. Постоянный ток, подводимый к двигателю, протекает то по одним, то по другим частям обмотки, создавая вращающий момент. Кстати, не уходя далеко, всех ведь, наверное, интересовало – что за желтые штучки стояли на некоторых ДПТ из игрушек, прямо на контактах (как на фото сверху)? Это конденсаторы – при работе коллектора из-за коммутаций потребление тока импульсное, напряжение может также меняться скачками, из-за чего двигатель создает много помех. Они особенно мешают, если ДПТ установлен в радиоуправляемой игрушке. Конденсаторы как раз гасят такие высокочастотные пульсации и, соответственно, убирают помехи.

Двигатели постоянного тока бывают как очень маленького размера («вибра» в телефоне), так и довольно большого – обычно до мегаватта. Например, на фото ниже показан тяговый электродвигатель электровоза мощностью 810кВт и напряжением 1500В.

Почему ДПТ не делают мощнее? Главная проблема всех ДПТ, а в особенности ДПТ большой мощности – это коллекторный узел. Скользящий контакт сам по себе является не очень хорошей затеей, а скользящий контакт на киловольты и килоамперы – и подавно. Поэтому конструирование коллекторного узла для мощных ДПТ – целое искусство, а на мощности выше мегаватта сделать надежный коллектор становится слишком сложно (рекорд — 12,5МВт).
В потребительском качестве ДПТ хорош своей простотой с точки зрения управляемости. Его момент прямо пропорционален току якоря, а частота вращения (по крайней мере холостой ход) прямо пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому до наступления эры микроконтроллеров, силовой электроники и частотного регулируемого привода переменного тока именно ДПТ был самым популярным электродвигателем для задач, где требуется регулировать частоту вращения или момент.

Также нужно упомянуть, как именно в ДПТ формируется магнитный поток возбуждения, с которым взаимодействует якорь (ротор) и за счет этого возникает вращающий момент. Этот поток может делаться двумя способами: постоянными магнитами и обмоткой возбуждения. В небольших двигателях чаще всего ставят постоянные магниты, в больших – обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения – это еще один канал регулирования. При увеличении тока обмотки возбуждения увеличивается её магнитный поток. Этот магнитный поток входит как в формулу момента двигателя, так и в формулу ЭДС. Чем выше магнитный поток возбуждения, тем выше развиваемый момент при том же токе якоря. Но тем выше и ЭДС машины, а значит при том же самом напряжении питания частота вращения холостого хода двигателя будет ниже. Зато если уменьшить магнитный поток, то при том же напряжении питания частота холостого хода будет выше, уходя в бесконечность при уменьшении потока возбуждения до нуля. Это очень важное свойство ДПТ. Вообще, я очень советую изучить уравнения ДПТ – они простые, линейные, но их можно распространить на все электродвигатели – процессы везде схожие.

Универсальный коллекторный двигатель

Как ни странно, это самый распространенный в быту электродвигатель, название которого наименее известно. Почему так получилось? Его конструкция и характеристики такие же, как у двигателя постоянного тока, поэтому упоминание о нем в учебниках по приводу обычно помещается в самый конец главы про ДПТ. При этом ассоциация коллектор = ДПТ так прочно заседает в голове, что не всем приходит на ум, что двигатель постоянного тока, в названии которого присутствует «постоянный ток», теоретически можно включать в сеть переменного тока. Давайте разберемся.

Как изменить направление вращения двигателя постоянного тока? Это знают все, надо сменить полярность питания якоря. А ещё? А еще можно сменить полярность питания обмотки возбуждения, если возбуждение сделано обмоткой, а не магнитами. А если полярность сменить и у якоря, и у обмотки возбуждения? Правильно, направление вращения не изменится. Так что же мы ждем? Соединяем обмотки якоря и возбуждения последовательно или параллельно, чтобы полярность изменялась одинаково и там и там, после чего вставляем в однофазную сеть переменного тока! Готово, двигатель будет крутиться. Есть один только маленький штрих, который надо сделать: так как по обмотке возбуждения протекает переменный ток, её магнитопровод, в отличие от истинного ДПТ, надо изготовить шихтованным, чтобы снизить потери от вихревых токов. И вот мы и получили так называемый «универсальный коллекторный двигатель», который по конструкции является подвидом ДПТ, но… прекрасно работает как от переменного, так и от постоянного тока.

Этот тип двигателей наиболее широко распространен в бытовой технике, где требуется регулировать частоту вращения: дрели, стиральные машины (не с «прямым приводом»), пылесосы и т.п. Почему именно он так популярен? Из-за простоты регулирования. Как и в ДПТ, его можно регулировать уровнем напряжения, что для сети переменного тока делается симистором (двунаправленным тиристором). Схема регулирования может быть так проста, что помещается, например, прямо в «курке» электроинструмента и не требует ни микроконтроллера, ни ШИМ, ни датчика положения ротора.

Асинхронный электродвигатель

Еще более распространенным, чем коллекторные двигатели, является асинхронный двигатель. Только распространен он в основном в промышленности – где присутствует трехфазная сеть. Про принцип его работы написана отдельная статья. Если кратко, то его статор – это распределенная двухфазная или трехфазная (реже многофазная) обмотка. Она подключается к источнику переменного напряжения и создает вращающееся магнитное поле. Ротор можно представлять себе в виде медного или алюминиевого цилиндра, внутри которого находится железо магнитопровода. К ротору в явном виде напряжение не подводится, но оно индуцируется там за счет переменного поля статора (поэтому двигатель на английском языке называют индукционным). Возникающие вихревые токи в короткозамкнутом роторе взаимодействуют с полем статора, в результате чего образуется вращающий момент.

Почему асинхронный двигатель так популярен? У него нет скользящего контакта, как у коллекторного двигателя, а поэтому он более надежен и требует меньше обслуживания. Кроме того, такой двигатель может пускаться от сети переменного тока «прямым пуском» – его можно включить коммутатором «на сеть», в результате чего двигатель запустится (с большим пусковым током 5-7 крат, но допустимым). ДПТ относительно большой мощности так включать нельзя, от пускового тока погорит коллектор. Также асинхронные привода, в отличие от ДПТ, можно делать гораздо большей мощности – десятки мегаватт, тоже благодаря отсутствию коллектора. При этом асинхронный двигатель относительно прост и дешев.

Асинхронный двигатель применяется и в быту: в тех устройствах, где не нужно регулировать частоту вращения. Чаще всего это так называемые «конденсаторные» двигатели, или, что тоже самое, «однофазные» асинхронники. Хотя на самом деле с точки зрения электродвигателя правильнее говорить «двухфазные», просто одна фаза двигателя подключается в сеть напрямую, а вторая через конденсатор. Конденсатор делает фазовый сдвиг напряжения во второй обмотке, что позволяет создать вращающееся эллиптическое магнитное поле. Обычно такие двигатели применяются в вытяжных вентиляторах, холодильниках, небольших насосах и т.п.

Минус асинхронного двигателя по сравнению с ДПТ в том, что его сложно регулировать. Асинхронный электродвигатель – это двигатель переменного тока. Если асинхронному двигателю просто понизить напряжение, не понизив частоту, то он несколько снизит скорость, да. Но у него увеличится так называемое скольжение (отставание частоты вращения от частоты поля статора), увеличатся потери в роторе, из-за чего он может перегреться и сгореть. Можно представлять это себе как регулирование скорости движения легкового автомобиля исключительно сцеплением, подав полный газ и включив четвертую передачу. Чтобы правильно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя нужно пропорционально регулировать и частоту, и напряжение. А лучше и вовсе организовать векторное управление, как более подробно было описано в прошлой статье. Но для этого нужен преобразователь частоты – целый прибор с инвертором, микроконтроллером, датчиками и т.п. До эры силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной техники (в прошлом веке) регулирование частотой было экзотикой – его не на чем было делать. Но сегодня регулируемый асинхронный электропривод на базе преобразователя частоты – это уже стандарт-де-факто.

Синхронный электродвигатель

Про принцип работы синхронного двигателя также была отдельная статья. Синхронных приводов бывает несколько подвидов – с магнитами (PMSM) и без (с обмоткой возбуждения и контактными кольцами), с синусоидальной ЭДС или с трапецеидальной (бесколлекторные двигатели постоянного тока, BLDC). Сюда же можно отнести некоторые шаговые двигатели. До эры силовой полупроводниковой электроники уделом синхронных машин было применение в качестве генераторов (почти все генераторы всех электростанций – синхронные машины), а также в качестве мощных приводов для какой-либо серьезной нагрузки в промышленности.

Все эти машины выполнялись с контактными кольцами (можно увидеть на фото), о возбуждении от постоянных магнитов при таких мощностях речи, конечно же, не идет. При этом у синхронного двигателя, в отличие от асинхронного, большие проблемы с пуском. Если включить мощную синхронную машину напрямую на трехфазную сеть, то всё будет плохо. Так как машина синхронная, она должна вращаться строго с частотой сети. Но за время 1/50 секунды ротор, конечно же, разогнаться с нуля до частоты сети не успеет, а поэтому он будет просто дергаться туда-сюда, так как момент получится знакопеременный. Это называется «синхронный двигатель не вошел в синхронизм». Поэтому в реальных синхронных машинах применяют асинхронный пуск – делают внутри синхронной машины небольшую асинхронную пусковую обмотку и закорачивают обмотку возбуждения, имитируя «беличью клетку» асинхронника, чтобы разогнать машину до частоты, примерно равной частоте вращения поля, а уже после этого включается возбуждение постоянным током и машина втягивается в синхронизм.
И если у асинхронного двигателя регулировать частоту ротора без изменения частоты поля хоть как-то можно, то у синхронного двигателя нельзя никак. Он или крутится с частой поля, или выпадает из синхронизма и с отвратительными переходными процессами останавливается. Кроме того, у синхронного двигателя без магнитов есть контактные кольца – скользящий контакт, чтобы передавать энергию на обмотку возбуждения в роторе. С точки зрения сложности, это, конечно, не коллектор ДПТ, но всё равно лучше бы было без скользящего контакта. Именно поэтому в промышленности для нерегулируемой нагрузки применяют в основном менее капризные асинхронные привода.

Но все изменилось с появлением силовой полупроводниковой электроники и микроконтроллеров. Они позволили сформировать для синхронной машины любую нужную частоту поля, привязанную через датчик положения к ротору двигателя: организовать вентильный режим работы двигателя (автокоммутацию) или векторное управление. При этом характеристики привода целиком (синхронная машина + инвертор) получились такими, какими они получаются у двигателя постоянного тока: синхронные двигатели заиграли совсем другими красками. Поэтому начиная где-то с 2000 года начался «бум» синхронных двигателей с постоянными магнитами. Сначала они робко вылезали в вентиляторах кулеров как маленькие BLDC двигатели, потом добрались до авиамоделей, потом забрались в стиральные машины как прямой привод, в электротягу (сегвей, Тойота приус и т.п.), всё больше вытесняя классический в таких задачах коллекторный двигатель. Сегодня синхронные двигатели с постоянными магнитами захватывают всё больше применений и идут семимильными шагами. И все это – благодаря электронике. Но чем же лучше синхронный двигатель асинхронного, если сравнивать комплект преобразователь+двигатель? И чем хуже? Этот вопрос будет рассматриваться в конце статьи, а сейчас давайте пройдемся еще по нескольким типам электродвигателей.

Вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (ВИД СВ, SRM)

У него много названий. Обычно его коротко называют вентильно-индукторный двигатель (ВИД) или вентильно-индукторная машина (ВИМ) или привод (ВИП). В английской терминологии это switched reluctance drive (SRD) или motor (SRM), что переводится как машина с переключаемым магнитным сопротивлением. Но чуть ниже будет рассматриваться другой подвид этого двигателя, отличающийся по принципу действия. Чтобы не путать их друг с другом, «обычный» ВИД, который рассмотрен в этом разделе, мы на кафедре электропривода в МЭИ, а также на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» называем «вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением» или коротко ВИД СВ, что подчеркивает принцип возбуждения и отличает его от машины, рассмотренной далее. Но другие исследователи его также называют ВИД с самоподмагничиванием, иногда реактивный ВИД (что отражает суть образования вращающего момента).

Конструктивно это самый простой двигатель и по принципу действия похож на некоторые шаговые двигатели. Ротор – зубчатая железка. Статор – тоже зубчатый, но с другим числом зубцов. Проще всего принцип работы поясняет вот эта анимация:

Подавая постоянный ток в фазы в соответствии с текущим положением ротора можно заставить двигатель вращаться. Фаз может быть разное количество. Форма тока реального привода для трех фаз показа на рисунке (токоограничение 600А):

Однако за простоту двигателя приходится платить. Так как двигатель питается однополярными импульсами тока, напрямую «на сеть» его включать нельзя. Обязательно требуется преобразователь и датчик положения ротора. Причем преобразователь не классический (типа шестиключевой инвертор): для каждой фазы у преобразователя для SRD должны быть полумосты, как на фото в начале этого раздела. Проблема в том, что для удешевления комплектующих и улучшения компоновки преобразователей силовые ключи и диоды часто не изготавливаются отдельно: обычно применяются готовые модули, содержащие одновременно два ключа и два диода – так называемые стойки. И именно их чаще всего и приходится ставить в преобразователь для ВИД СВ, половину силовых ключей просто оставляя незадействованной: получается избыточный преобразователь. Хотя в последние годы некоторые производители IGBT модулей выпустили изделия, предназначенные именно для SRD.

Следующая проблема – это пульсации вращающего момента. В силу зубчатой структуры и импульсного тока момент редко получается стабильным – чаще всего он пульсирует. Это несколько ограничивает применимость двигателей для транспорта – кому хочется иметь пульсирующий момент на колесах? Кроме того, от таких импульсов тянущего усилия не очень хорошо себя чувствуют подшипники двигателя. Проблема несколько решается специальным профилированием формы тока фазы, а также увеличением количества фаз.

Однако даже при этих недостатках двигатели остаются перспективными в качестве регулируемого привода. Благодаря их простоте сам двигатель получается дешевле классического асинхронного двигателя. Кроме того, двигатель легко сделать многофазным и многосекционным, разделив управление одним двигателем на несколько независимых преобразователей, которые работают параллельно. Это позволяет повысить надежность привода – отключение, скажем, одного из четырех преобразователей не приведет к остановке привода в целом – трое соседей будут какое-то время работать с небольшой перегрузкой. Для асинхронного двигателя такой фокус выполнить так просто не получается, так как невозможно сделать несвязанные друг с другом фазы статора, которые бы управлялись отдельным преобразователем полностью независимо от других. Кроме того, ВИД очень хорошо регулируются «вверх» от основной частоты. Железку ротора можно раскручивать без проблем до очень высоких частот.
Мы на фирме ООО «НПФ ВЕКТОР» выполнили несколько проектов на базе этого двигателя. Например, делали небольшой привод для насосов горячего водоснабжения, а также недавно закончили разработку и отладку системы управления для мощных (1,6 МВт) многофазных резервируемых приводов для обогатительных фабрик АК «АЛРОСА». Вот машинка на 1,25 МВт:

Вся система управления, контроллеры и алгоритмы были сделаны у нас в ООО «НПФ ВЕКТОР», силовые преобразователи спроектировала и изготовила фирма ООО «НПП «ЦИКЛ+». Заказчиком работы и проектировщиком самих двигателей являлась фирма ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ)

Это совсем другой тип двигателя, отличающийся по принципу действия от обычного ВИД. Исторически известны и широко используются вентильно-индукторные генераторы такого типа, применяемые на самолетах, кораблях, железнодорожном транспорте, а вот именно двигателями такого типа почему-то занимаются мало.

На рисунке схематично показана геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения, а также изображено взаимодействие магнитных потоков статора и ротора, при этом ротор на рисунке установлен в согласованное положение (момент равен нулю).

Ротор собран из двух пакетов (из двух половинок), между которыми установлена обмотка возбуждения (на рисунке показана как четыре витка медного провода). Несмотря на то, что обмотка висит «посередине» между половинками ротора, крепится она к статору и не вращается. Ротор и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Обмотка статора распределенная трехфазная – как у обычного асинхронного или синхронного двигателя. Хотя существуют варианты такого типа машин с сосредоточенной обмоткой: зубцами на статоре, как у SRD или BLDC двигателя. Витки обмотки статора охватывают сразу оба пакета ротора.

Упрощенно принцип работы можно описать следующим образом: ротор стремится повернуться в такое положение, при котором направления магнитного потока в статоре (от токов статора) и роторе (от тока возбуждения) совпадут. При этом половина электромагнитного момента образуется в одном пакете, а половина – в другом. Со стороны статора машина подразумевает разнополярное синусоидальное питание (ЭДС синусоидальна), электромагнитный момент активный (полярность зависит от знака тока) и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданного обмотками статора. По принципу работы эта машина отлична от классических шаговых и SRD двигателей, в которых момент реактивный (когда металлическая болванка притягивается к электромагниту и знак усилия не зависит от знака тока электромагнита).

С точки зрения управления ВИД НВ оказывается эквивалентен синхронной машине с контактными кольцами. То есть, если вы не знаете конструкцию этой машины и используете её как «черный ящик», то она ведет себя практически неотличимо от синхронной машины с обмоткой возбуждения. Можно сделать векторное управление или автокоммутацию, можно ослаблять поток возбуждения для повышения частоты вращения, можно усиливать его для создания большего момента – всё так, как будто это классическая синхронная машина с регулируемым возбуждением. Только ВИД НВ не имеет скользящего контакта. И не имеет магнитов. И ротор в виде дешевой железной болванки. И момент не пульсирует, в отличие от SRD. Вот, например, синусоидальные токи ВИД НВ при работе векторного управления:

Кроме того, ВИД НВ можно создавать многофазным и многосекционным, аналогично тому, как это делается в ВИД СВ. При этом фазы оказываются несвязанными друг с другом магнитными потоками и могут работать независимо. Т.е. получается как будто бы несколько трехфазных машин в одной, к каждой из которых присоединяется свой независимый инвертор с векторным управлением, а результирующая мощность просто суммируется. Координации между преобразователями при этом не требуется никакой – только общее задание частоты вращения.
Минусы этого двигателя тоже есть: напрямую от сети он крутиться не может, так как, в отличие от классических синхронных машин, ВИД НВ не имеет асинхронной пусковой обмотки на роторе. Кроме того, он сложнее по конструкции, чем обычный ВИД СВ (SRD).

На основе данного двигателя мы также сделали несколько успешных проектов. Например, один из них – это серия приводов насосов и вентиляторов для районных теплостанций г. Москвы мощностью 315-1200кВт (ссылка на проект). Это низковольтные (380В) ВИД НВ с резервированием, где одна машина «разбита» на 2, 4 или 6 независимых трехфазных секций. На каждую секцию ставится свой однотипный преобразователь с векторным бездатчиковым управлением. Таким образом можно легко наращивать мощность на базе однотипной конструкции преобразователя и двигателя. При этом часть преобразователей подключено к одному вводу питания районной теплостанции, а часть к другому. Поэтому если происходит «моргушка питания» по одному из вводов питания, то привод не встает: половина секций кратковременно работают в перегрузке, пока питание не восстановится. Как только оно восстанавливается, на ходу в работу автоматически вводятся отдыхавшие секции. Вообще, наверное, этот проект заслуживал бы отдельной статьи, поэтому пока про него закончу, вставив фото двигателя и преобразователей:

Заключение: какой же электродвигатель самый лучший?

К сожалению, двумя словами здесь не обойтись. И общими выводами про то, что у каждого двигателя свои достоинства и недостатки – тоже. Потому что не рассмотрены самые главные качества – массогабаритные показатели каждого и типов машин, цена, а также их механические характеристики и перегрузочная способность. Оставим нерегулируемый асинхронный привод крутить свои насосы напрямую от сети, тут ему конкурентов нет. Оставим коллекторные машины крутить дрели и пылесосы, тут с ними в простоте регулирования тоже потягаться сложно.

Давайте рассмотрим регулируемый электропривод, режим работы которого – длительный. Коллекторные машины здесь сразу исключаются из конкуренции по причине ненадежности коллекторного узла. Но остались еще четыре – синхронный, асинхронный, и два типа вентильно-индукторных. Если мы говорим о приводе насоса, вентилятора и чего-то похожего, что используется в промышленности и где масса и габариты особо не важны, то здесь из конкуренции выпадают синхронные машины. Для обмотки возбуждения требуются контактные кольца, что является капризным элементом, а постоянные магниты очень дороги. Конкурирующими вариантами остаются асинхронный привод и вентильно-индукторные двигатели обоих типов.

Как показывает опыт, все три типа машин успешно применяются. Но – асинхронный привод невозможно (или очень сложно) секционировать, т.е. разбить мощную машину на несколько маломощных. Поэтому для обеспечения большой мощности асинхронного преобразователя требуется делать его высоковольтным: ведь мощность – это, если грубо, произведение напряжения на ток. Если для секционируемого привода мы можем взять низковольтный преобразователь и наставить их несколько, каждый на небольшой ток, то для асинхронного привода преобразователь должен быть один. Но не делать же преобразователь на 500В и ток 3 килоампера? Это провода нужны с руку толщиной. Поэтому для увеличения мощности повышают напряжение и снижают ток. А высоковольтный преобразователь – это совсем другой класс задачи. Нельзя просто так взять силовые ключи на 10кВ и сделать из них классический инвертор на 6 ключей, как раньше: и нет таких ключей, а если есть, они очень дороги. Инвертор делают многоуровневым, на низковольтных ключах, соединенных последовательно в сложных комбинациях. Такой инвертор иногда тянет за собой специализированный трансформатор, оптические каналы управления ключами, сложную распределенную систему управления, работающую как одно целое… В общем, сложно всё у мощного асинхронного привода. При этом вентильно-индукторный привод за счет секционирования может «отсрочить» переход на высоковольтный инвертор, позволяя сделать привода до единиц мегаватт от низковольтного питания, выполненные по классической схеме. В этом плане ВИПы становятся интереснее асинхронного привода, да еще и обеспечивают резервирование. С другой стороны, асинхронные привода работают уже сотни лет, двигатели доказали свою надежность. ВИПы же только пробивают себе дорогу. Так что здесь надо взвесить много факторов, чтобы выбрать для конкретной задачи наиболее оптимальный привод.

Но всё становится еще интереснее, когда речь заходит о транспорте или о малогабаритных устройствах. Там уже нельзя беспечно относиться к массе и габаритам электропривода. И вот там уже нужно смотреть на синхронные машины с постоянными магнитами. Если посмотреть только на параметр мощности деленной на массу (или размер), то синхронные машины с постоянными магнитами вне конкуренции. Отдельные экземпляры могут быть в разы меньше и легче, чем любой другой «безмагнитный» привод переменного тока. Но здесь есть одно опасное заблуждение, которое я сейчас постараюсь развеять.

Если синхронная машина в три раза меньше и легче – это не значит, что для электротяги она подходит лучше. Всё дело в отсутствии регулировки потока постоянных магнитов. Поток магнитов определяет ЭДС машины. На определенной частоте вращения ЭДС машины достигает напряжения питания инвертора и дальнейшее повышение частоты вращения становится затруднительно. Тоже самое касается и повышения момента. Если нужно реализовать больший момент, в синхронной машине нужно повышать ток статора – момент возрастет пропорционально. Но более эффективно было бы повысить и поток возбуждения – тогда и магнитное насыщение железа было бы более гармоничным, а потери были бы ниже. Но опять же поток магнитов повышать мы не можем. Более того, в некоторых конструкциях синхронных машин и ток статора нельзя повышать сверх определенной величины – магниты могут размагнититься. Что же получается? Синхронная машина хороша, но только лишь в одной единственной точке – в номинальной. С номинальной частотой вращения и номинальным моментом. Выше и ниже – всё плохо. Если это нарисовать, то получится вот такая характеристика частоты от момента (красным):

На рисунке по горизонтальной оси отложен момент двигателя, по вертикальной – частота вращения. Звездочкой отмечена точка номинального режима, например, пусть это будет 60кВт. Заштрихованный прямоугольник – это диапазон, где возможно регулирование синхронной машины без проблем – т.е. «вниз» по моменту и «вниз» по частоте от номинала. Красной линией отмечено, что можно выжать из синхронной машины сверх номинала – небольшое повышение частоты вращения за счет так называемого ослабления поля (на самом деле это создание лишнего реактивного тока по оси d двигателя в векторном управлении), а также показана некоторая возможная форсировка по моменту, чтобы было безопасно для магнитов. Всё. А теперь давайте поставим эту машину в легковое транспортное средство без коробки передач, где батарея рассчитана на отдачу 60кВт. Желаемая тяговая характеристика изображена синим. Т.е. начиная с самой низкой скорости, скажем, с 10км/ч привод должен развивать свои 60кВт и продолжать их развивать вплоть до максимальной скорости, скажем 150км/ч. Синхронная машина и близко не лежала: её момента не хватит даже чтобы заехать на бордюр у подъезда (или на поребрик у парадной, для полит. корректности), а разогнаться машина сможет лишь до 50-60км/ч.
Что же это значит? Синхронная машина не подходит для электротяги без коробки передач? Подходит, конечно же, просто надо по-другому её выбрать. Вот так:

Надо выбрать такую синхронную машину, чтобы требуемый тяговый диапазон регулирования был весь внутри её механической характеристики. Т.е. чтобы машина одновременно могла развить и большой момент, и работать на большой частоте вращения. Как вы видите из рисунка… установленная мощность такой машины будет уже не 60кВт, а 540кВт (можно посчитать по делениям). Т.е. в электромобиль с батареей на 60кВт придется установить синхронную машину и инвертор на 540кВт, просто чтобы «пройти» по требуемому моменту и частоте вращения.

Конечно же, так как описано, никто не делает. Никто не ставит машину на 540кВт вместо 60кВт. Синхронную машину модернизируют, пытаясь «размазать» её механическую характеристику из оптимума в одной точке вверх по скорости и вниз по моменту. Например, прячут магниты в железо ротора (делают инкорпорированными), это позволяет не бояться размагнитить магниты и ослаблять поле смелее, а также перегружать по току побольше. Но от таких модификаций синхронная машина набирает вес, габариты и становится уже не такой легкой и красивой, какой она была раньше. Появляются новые проблемы, такие как «что делать, если в режиме ослабления поля инвертор отключился». ЭДС машины может «накачать» звено постоянного тока инвертора и выжечь всё. Или что делать, если инвертор на ходу пробился — синхронная машина замкнется и может токами короткого замыкания убить и себя, и водителя, и всю оставшуюся живой электронику — нужны схемы защиты и т.п.

Поэтому синхронная машина хороша там, где большого диапазона регулирования не требуется. Например, в сегвее, где скорость с точки зрения безопасности может быть ограничена на 30км/ч (или сколько там у него?). А еще синхронная машина идеальна для вентиляторов: у вентилятора сравнительно мало изменяется частота вращения, от силы раза в два – больше особо нет смысла, так как воздушный поток ослабевает пропорционально квадрату скорости (примерно). Поэтому для небольших пропеллеров и вентиляторов синхронная машина – это то, что нужно. И как раз она туда, собственно, успешно ставится.

Тяговую кривую, изображенную на рисунке синим цветом, испокон веков реализуют двигатели постоянного тока с регулируемым возбуждением: когда ток обмотки возбуждения изменяют в зависимости от тока статора и частоты вращения. При увеличении частоты вращения уменьшается и ток возбуждения, позволяя машине разгоняться выше и выше. Поэтому ДПТ с независимым (или смешанным) управлением возбуждением классически стоял и до сих пор стоит в большинстве тяговых применений (метро, трамваи и т.п.). Какая же электрическая машина переменного тока может с ним поспорить?

К такой характеристике (постоянства мощности) могут лучше приблизиться двигатели, у которых регулируется возбуждение. Это асинхронный двигатель и оба типа ВИПов. Но у асинхронного двигателя есть две проблемы: во-первых, его естественная механическая характеристика – это не кривая постоянства мощности. Потому что возбуждение асинхронного двигателя осуществляется через статор. А поэтому в зоне ослабления поля при постоянстве напряжения (когда на инверторе оно закончилось) подъем частоты в два раза приводит к падению тока возбуждения в два раза и моментоообразующего тока тоже в два раза. А так как момент на двигателе – это произведение тока на поток, то момент падает в 4 раза, а мощность, соответственно, в два. Вторая проблема – это потери в роторе при перегрузке с большим моментом. В асинхронном двигателе половина потерь выделяется в роторе, половина в статоре. Для уменьшения массогабаритных показателей на транспорте часто применяется жидкостное охлаждение. Но водяная рубашка эффективно охладит лишь статор, за счет явления теплопроводности. От вращающегося ротора тепло отвести значительно сложнее – путь отвода тепла через «теплопроводность» отрезан, ротор не касается статора (подшипники не в счет). Остается воздушное охлаждение путем перемешивая воздуха внутри пространства двигателя или излучение тепла ротором. Поэтому ротор асинхронного двигателя получается своеобразным «термосом» — единожды перегрузив его (сделав динамичный разгон на машине), требуется долгое время ждать остывания ротора. А ведь его температуру еще и не измерить… приходится только предсказывать по модели.

Здесь нужно отметить, как мастерски обе проблемы асинхронного двигателя обошли в Тесла в своей Model S. Проблему с отводом тепла из ротора они решили… заведя во вращающийся ротор жидкость (у них есть соответствующий патент, где вал ротора полый и он омывается внутри жидкостью, но достоверно я не знаю, применяют ли они это). А вторую проблему с резким уменьшением момента при ослаблении поля… они не решали. Они поставили двигатель с тяговой характеристикой, почти как у меня нарисована для «избыточного» синхронного двигателя на рисунке выше, только у них не 540кВт, а 300кВт. Зона ослабления поля в тесле очень маленькая, где-то два крата. Т.е. они поставили «избыточный» для легкового автомобиля двигатель, сделав вместо бюджетного седана по сути спорт-кар с огромной мощностью. Недостаток асинхронного двигателя обратили в достоинство. Но если бы они попытались сделать менее «производительный» седан, мощностью 100кВт или меньше, то асинхронный двигатель, скорее всего, был бы точно таким же (на 300кВт), просто его искусственно задушили электроникой бы под возможности батареи.

А теперь ВИПы. Что могут они? Какая тяговая характеристика у них? Про ВИД СВ я точно сказать не могу – это по своему принципу работы нелинейный двигатель, и от проекта к проекту его механическая характеристика может сильно меняться. Но в целом он скорее всего лучше асинхронного двигателя в плане приближения к желаемой тяговой характеристике с постоянством мощности. А вот про ВИД НВ я могу сказать подробнее, так как мы на фирме им очень плотно занимаемся. Видите вон ту желаемую тяговую характеристику на рисунке выше, которая нарисована синим цветом, к которой мы хотим стремиться? Это на самом деле не просто желаемая характеристика. Это реальная тяговая характеристика, которую мы по точкам по датчику момента сняли для одного из ВИД НВ. Так как ВИД НВ имеет независимое внешнее возбуждение, то его качества наиболее приближены к ДПТ НВ, который тоже может сформировать такую тяговую характеристику за счет регулирования возбуждения.

Так что же? ВИД НВ – идеальная машина для тяги без единой проблемы? На самом деле нет. Проблем у него тоже куча. Например, его обмотка возбуждения, которая «висит» между пакетами статора. Хоть она и не вращается, от неё тоже сложно отводить тепло – получается ситуация почти как ротором асинхронника, лишь немного получше. Можно, в случае надобности, «кинуть» трубку охлаждения со статора. Вторая проблема – это завышенные массогабаритные показатели. Глядя на рисунок ротора ВИД НВ, можно видеть, что пространство внутри двигателя используется не очень эффективно – «работают» только начало и конец ротора, а середина занята обмоткой возбуждения. В асинхронном двигателе, например, вся длина ротора, всё железо «работает». Сложность сборки – засунуть обмотку возбуждения внутрь пакетов ротора надо еще суметь (ротор делается разборным, соответственно, есть проблемы с балансировкой). Ну и просто массогабаритные характеристики пока получаются не очень-то выдающимися по сравнению с теми же асинхронными двигателями Тесла, если накладывать тяговые характеристики друг на друга.
А также есть еще общая проблема обоих типов ВИД. Их ротор – пароходное колесо. И на высоких частотах вращения (а высокая частота нужна, так высокочастотные машины при той же мощности меньше тихоходных) потери от перемешивания воздуха внутри становятся очень значительными. Если до 5000-7000 об/мин ВИД еще можно сделать, то на 20000 об/мин это получится большой миксер. А вот асинхронный двигатель на такие частоты и гораздо выше сделать вполне можно за счет гладкого статора.

Так что же лучше всего в итоге для электротяги? Какой двигатель самый лучший?
Понятия не имею. Все плохие. Надо изобретать дальше. Но мораль статьи такова – если вы хотите сравнить между собой разные типы регулируемого электропривода, то нужно сравнивать на конкретной задаче с конкретной требуемой механической характеристикой по всем-всем параметрам, а не просто по мощности. Также в этой статье не рассмотрены еще куча нюансов сравнения. Например, такой параметр как длительность работы в каждой из точек механической характеристики. На максимальном моменте обычно ни одна машина не может работать долго – это режим перегрузки, а на максимальной скорости очень плохо себя чувствуют синхронные машины с магнитами – там у них огромные потери в стали. А еще интересный параметр для электротяги – потери при движении выбегом, когда водитель отпустил газ. Если ВИПы и асинхронные двигатели будут крутиться как болванки, то у синхронной машины с постоянными магнитами останутся почти номинальные потери в стали из-за магнитов. И так далее, и так далее…
Поэтому нельзя вот так просто взять и выбрать лучший электропривод.

UPD:
Обобщая замечания в комментариях, необходимо дополнить некоторые важные, как оказалось, вещи, которые я изначально опустил как маловажные.
1. Асинхронные двигатели до эры преобразователей частоты регулировали за счет применения так называемого фазного ротора — когда ротор делался в виде обмотки, а не беличьей клетки, а через контактные кольца (как у синхронной машины) фазы ротора выводились наружу. Включая в цепь ротора резисторы можно было мягко пускать АД и безопасно регулировать частоту вращения, изменяя сопротивление. Проблема в том, что очень много энергии при этом терялось в резисторах — иногда до половины от подводимой к приводу мощности.

2. В статье не упомянуты синхронные реактивные машины и их совмещение с синхронными машинами с постоянными магнитами. Если сделать ротор синхронной машины с магнитами явнополюсным — например таким, как нарисован ротор SRD двигателя на gif анимации, то развиваемый момент может быть не только активным, но и реактивным — как у SRD. Подбирая оптимальное сочетание активного и реактивного момента можно частично исключить проблемы классической синхронной машины с магнитами, значительно расширив диапазон работы с постоянством мощности. Получается некий гибрид реактивной машины и синхронной с магнитами.

3. Шаговые двигатели не рассмотрены, потому что по принципу действия они в первом приближении схожи либо с синхронными машинами с постоянными магнитами, либо с SRD двигателями — зависит от конкретного типа шаговика. Только шаговые двигатели, в отличие от «силовых» приводов, имеют гораздо большее количество пар полюсов (зубцов) для увеличения коэффициента электрической редукции: чтобы одному периоду тока соответствовало меньшее угловое перемещение вала. Управление шаговиками обычно тривиальное — последовательный перебор фаз друг за другом (шаги). Более продвинутые системы дробят шаг, подавая в двигатель «микрошаги» — по сути приближая управление к синусоидальному. Еще более продвинутые используют датчик положения ротора и применяют полноценное векторное управление. Но в таком случае и машину нужно делать более качественную, а называться в сумме это будет уже настоящим сервоприводом.

Блог компании НПФ ВЕКТОР
Компьютерное железо
Робототехника
Научно-популярное
Транспорт

Индукционный двигатель что это такое

Индукционные двигатели и мотор-редукторы переменного тока

220 В с использованием пускового конденсатора. После подключения питания двигатель самостоятельно раскручивается и выходит на рабочий режим с параметрами, заявленными в технических характеристиках. Кроме того, существуют модели с возможностью регулирования частоты вращения ротора.

К преимуществам индукционных двигателей относятся:

Электродвигатели: какие они бывают

Двигатель постоянного тока (ДПТ)

Универсальный коллекторный двигатель

Асинхронный электродвигатель

Синхронный электродвигатель

Вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (ВИД СВ, SRM)

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ)

Заключение: какой же электродвигатель самый лучший?

Принцип работы асинхронного 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.

Асинхронный или коллекторный: как отличить

Вообще, отличить тип двигателя можно по табличке — шильдику — на которой написаны его данные и тип. Но это только в том случае, если его не ремонтировали. Ведь под кожухом может быть что угодно. Так что если вы не уверены, лучше определить тип самостоятельно.

READ Как подключить к монитору vga приставку hdmi

Так выглядит новый однофазный конденсаторный двигатель

Как устроены коллекторные движки

Отличить асинхронный и коллекторный двигатели можно по строению. У коллекторных обязательно есть щетки. Они расположены возле коллектора. Еще обязательный атрибут движка этого типа — наличие медного барабана, разделенного на секции.

Такие двигатели выпускаются только однофазные, они часто устанавливаются в бытовой технике, так как позволяют получить большое число оборотов на старте и после разгона. Также они удобны тем, что легко позволяют менять направление вращения — необходимо только поменять полярность. Несложно также организовать изменение скорости вращения — изменением амплитуды питающего напряжения или угла его отсечки. Потому и используются подобные двигатели в большей части бытовой и строительной техники.

Строение коллекторного двигателя

Недостатки коллекторных двигателей — высокая шумность работы на больших оборотах. Вспомните дрель, болгарку, пылесос, стиральную машину и т.д.. Шум при их работе стоит приличный. На малых оборотах коллекторные двигатели не так шумят (стиральная машина), но не все инструменты работают в таком режиме.

Второй неприятный момент — наличие щеток и постоянного трения приводит к необходимости регулярного технического обслуживания. Если токосъемник не чистить, загрязнение графитом (от стирающихся щеток) может привести к тому, что соседние секции в барабане соединятся, мотор попросту перестанет работать.

Асинхронные

Асинхронный двигатель имеет статор и ротор, может быть одно и трёхфазным. В данной статье рассматриваем подключение однофазных двигателей, потому речь пойдет только о них.

Асинхронные двигатели отличаются невысоким уровнем шумов при работе, потому устанавливаются в технике, шум работы которой критичен. Это кондиционеры, сплит-системы, холодильники.

Строение асинхронного двигателя

Есть два типа однофазных асинхронных двигателей — бифилярные (с пусковой обмоткой) и конденсаторные. Вся разница состоит в том, что в бифилярных однофазных двигателях пусковая обмотка работает только до разгона мотора. После она выключается специальным устройством — центробежным выключателем или пускозащитным реле (в холодильниках). Это необходимо, так как после разгона она только снижает КПД.

В конденсаторных однофазных двигателях конденсаторная обмотка работает все время. Две обмотки — основная и вспомогательная — смещены относительно друг друга на 90°. Благодаря этому можно менять направление вращения. Конденсатор на таких двигателях обычно крепится к корпусу и по этому признаку его несложно опознать.

Более точно определить бифилярный или конденсаторный двигатель перед вами, можно при помощи измерений сопротивления обмоток. Если сопротивление вспомогательной обмотки больше в два раза (разница может быть еще более значительная), скорее всего, это бифилярный двигатель и эта вспомогательная обмотка пусковая, а значит, в схеме должен присутствовать выключатель или пусковое реле. В конденсаторных двигателях обе обмотки постоянно находятся в работе и подключение однофазного двигателя возможно через обычную кнопку, тумблер, автомат.

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.

Устройство АД

Принцип работы электродвигателя

Ротор и статор – главные элементы индукционного двигателя.

Схема

Схема устройства асинхронного агрегата

Схема: вал (1), подшипники (2,6), лапы (4), крыльчатка (7), статор (10), коробка выводов (11), ротор (9), кожух вентилятора (5), щиты подшипниковые (3,8).

На рисунке представлено устройство типового агрегата. Статор АД имеет форму цилиндра. Внутренняя часть имеет размеры, обеспечивающие зазор между ротором и статором. В пазах сердечника расположены обмотки. Их оси для нормальной работы расположены относительно одна другой под углом 1200. Между собой концы обмоток собираются с помощью схемы «звезда» либо «треугольник», но это зависит непосредственно от напряжения. Ротор может быть фазным либо короткозамкнутым.

Ротор вращается по ходу движения магнитного поля.

Трехфазную обмотку устанавливают на фазный ротор, она напоминает обмотку статора. С одной стороны концы обмотки фазного ротора обычно соединяются в «звезду», а свободные концы подсоединяются к контактным кольцам. Для включения в цепь обмотки фазного ротора дополнительного сопротивления используются щетки, подключенные к кольцам. Такая конструкция не предназначена для работы в цепях постоянного тока, так как необходимое вращение обеспечивает изменение фазы.

Короткозамкнутый ротор – это сердечник, который сделан из стальных листов. Пазы в короткозамкнутом роторе заполняются расплавленным алюминием, в результате чего получаются стержни, замыкаемые накоротко торцевыми кольцами.

Таким короткозамкнутым ротором создаются условия для минимального электрического сопротивления. Эта конструкция получила название «беличья клетка» или «беличье колесо».

Конструкция

Конструкция «беличья клетка»

В короткозамкнутом роторе повышенной мощности пазы заполняются медью или латунью. Беличье колесо – это и есть короткозамкнутая обмотка ротора.

В зависимости от подключаемой фазы индукционный агрегат подразделяется на однофазный и трехфазный. С помощью учета данного параметра различают принцип действия асинхронного двигателя.

Индукционный электродвигатель с расщеплённой фазой

В дополнение к основной обмотке или же к двигающейся обмотке статор однофазного двигателя имеет ещё одну обмотку, которую называют вспомогательной или стартовой. Центробежный выключатель подключен последовательно к вспомогательной обмотке. Задачей этого выключателя является отключение вспомогательной обмотки от основной схемы, когда скорость электродвигателя достигнет от 75% до 80% от синхронной скорости.

Известно, что движущаяся обмотка является индукционной по своей природе. Наша задача заключается в том, чтобы создать разницу фаз между двумя обмотками. Это возможно, если стартовая обмотка имеет большое сопротивление. Допустим, что Irun является электрическим током, который проходит через основную или движущуюся обмотку, Istart является током, проходящим через стартовую обмотку, и VT является напряжением, которое подаётся.

Известно, что для обмотки с большой резистивностью электрический ток почти в фазе с напряжением, а для обмотки с большой индуктивностью ток отстает от напряжения под большим углом. Стартовая обмотка обладает большой резистивностью, поэтому электрический ток, который идёт через стартовую обмотку, отстаёт от приложенного напряжения с очень маленьким углом. Движущаяся обмотка по сути своей очень индукционная, так что ток в этой обмотке отстаёт от напряжения под большим углом.

Результатом этих двух токов является IT. Данный результат производит вращающееся магнитное поле, которое вращается только в одну сторону. В индукционном двигателе с расщепленной фазой стартовый и основной электрический ток разделены друг с другом под определённым углом, поэтому данный двигатель и получил такое называние.

Применение индукционного электродвигателя с расщеплённой фазой

У данных двигателей имеется низкий стартовый электрический ток, средний стартовый крутящий момент. По этой причине данные двигатели нашли своё применение в таких вещах как центробежные насосы, вентиляторы, стиральные машины, а также во множестве других устройств. Эти двигатели доступны в размерах в диапазоне от 1 / 20 киловатт до 1 / 2 киловатт.

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.

Заявленная для разработки мощностью двигателя составляет 520 кВт.

Индукторный привод ИП-40

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.

Параметр	Двигатель ИД-40В	Двигатель ИД-40К
Параметр	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

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:

Компания “Аксиома Света”

дата основания 2009 год.

Электродвигатель с постоянным разделяющим конденсатором

Он имеет клеткообразный ротор и статор. У статора имеются две обмотки. Одну называют основной, а другую – вспомогательной. Имеется лишь один конденсатор, подключенный последовательно в стартовой обмотке. Стартовый выключатель отсутствует.

Преимущества и способы использования

Центробежный выключатель не нужен. Эффективность в данном случае выше, а крутящий момент достаточно мощный. Данный электродвигатель нашёл себе применение в нагнетателях воздуха в обогревателях и кондиционерах воздуха, а также в вентиляторах. Также он используется и в офисном оборудовании.

Индукционные однофазные электродвигатели с экранированным полюсом

Статор данного двигателя имеет выдающиеся или выступающие полюсы. Эти полюсы экранированы за счёт медной полосы или кольца, которые по природе своей индукционны. Полюсы в данном случае разделены на две неравные части. Более маленькая составляющая несёт медную полосу. Эту область называют экранированной областью полюса.

ДЕЙСТВИЕ: Когда однофазный ток приходит на статор, получается переменный магнитный поток. Эта перемена магнитного потока вызывает электродвижущую силу в экранированной катушке. С того момента как эта экранированная часть замкнута, электрический ток, который в ней производится, будет в таком направлении, которое будет противоположно главному магнитному потоку.

Магнитный поток в экранированном полюсе отстаёт от магнитного потока в не экранированном полюсе. Разница фаз между этими двумя потоками способствует возникновению результирующего вращающегося магнитного потока.

Известно, что электрический ток обмотки статора является переменным по природе, поэтому и магнитный поток, возникающий из-за данного тока, является переменным. Для того чтобы полностью понять то, как работает индукционный двигатель с экранированным полюсом, стоит рассмотреть три участка:

Схемы подключения однофазных асинхронных двигателей

С пусковой обмоткой

Для подключения двигателя с пусковой обмоткой потребуется кнопка, у которой один из контактов после включения размыкается. Эти размыкающиеся контакты надо будет подключить к пусковой обмотке. В магазинах есть такая кнопка — это ПНВС. У нее средний контакт замыкается на время удержания, а два крайних остаются в замкнутом состоянии.

Внешний вид кнопки ПНВС и состояние контактов после того как кнопка «пуск» отпущена»

Сначала при помощи измерений определяем какая обмотка рабочая, какая — пусковая. Обычно вывод от мотора имеет три или четыре провода.

READ Как подключить ноут к смартфону

Рассмотрим вариант с тремя проводами. В этом случае две обмотки уже объединены, то есть один из проводов — общий. Берем тестер, измеряем сопротивление между всеми тремя парами. Рабочая имеет самое меньшее сопротивление, среднее значение — пусковая обмотка, а наибольшее — это общий выход (меряется сопротивление двух последовательно включенных обмоток).

Если выводов четыре, они звонятся попарно. Находите две пары. Та, в которой сопротивление меньше — рабочая, в которой больше — пусковая. После этого соединяем один провод от пусковой и рабочей обмотки, выводим общий провод. Итого остается три провода (как и в первом варианте):

С этими тремя проводами и работаем дальше — используем для подключения однофазного двигателя.

Подключение однофазного двигателя с пусковой обмоткой через кнопку ПНВС

подключение однофазного двигателя

Все три провода подключаем к кнопке. В ней тоже имеется три контакта. Обязательно пусковой провод «сажаем на средний контакт (который замыкается только на время пуска), остальные два — на крайние (произвольно). К крайним входным контактам ПНВС подключаем силовой кабель (от 220 В), средний контакт соединяем перемычкой с рабочим (обратите внимание! не с общим). Вот и вся схема включения однофазного двигателя с пусковой обмоткой (бифилярного) через кнопку.

Конденсаторный

При подключении однофазного конденсаторного двигателя есть варианты: есть три схемы подключения и все с конденсаторами. Без них мотор гудит, но не запускается (если подключить его по схеме, описанной выше).

Схемы подключения однофазного конденсаторного двигателя

Первая схема — с конденсатором в цепи питания пусковой обмотки — хорошо запускаются, но при работе мощность выдают далеко не номинальную, а намного ниже. Схема включения с конденсатором в цепи подключения рабочей обмотки дает обратный эффект: не очень хорошие показатели при пуске, но хорошие рабочие характеристики. Соответственно, первую схему используют в устройствах с тяжелым пуском (бетономешалки, например), а с рабочим конденсором — если нужны хорошие рабочие характеристики.

Схема с двумя конденсаторами

Есть еще третий вариант подключение однофазного двигателя (асинхронного) — установить оба конденсатора. Получается нечто среднее между описанными выше вариантами. Эта схема и реализуется чаще всего. Она на рисунке выше в середине или на фото ниже более детально. При организации данной схемы тоже нужна кнопка типа ПНВС, которая будет подключать конденсатор только не время старта, пока мотор «разгонится». Потом подключенными останутся две обмотки, причем вспомогательная через конденсатор.

Подключение однофазного двигателя: схема с двумя конденсаторами — рабочим и пусковым

При реализации других схем — с одним конденсатором — понадобится обычная кнопка, автомат или тумблер. Там все соединяется просто.

Подбор конденсаторов

Есть довольно сложная формула, по которой можно высчитать требуемую емкость точно, но вполне можно обойтись рекомендациями, которые выведены на основании многих опытов:

Рабочее напряжение этих конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше, чем напряжение сети, то есть, для сети 220 вольт берем емкости с рабочим напряжением 330 В и выше. А чтобы пуск проходил проще, для пусковой цепи ищите специальный конденсатор. У них в маркировке присутствует слова Start или Starting, но можно взять и обычные.

Индукционный двигатель — Induction motor

An Индукционный двигатель или же асинхронный двигатель является Электродвигатель переменного тока в которой электрический ток в ротор необходимый для создания крутящего момента получается электромагнитная индукция от магнитное поле из статор обмотка. [1] Следовательно, асинхронный двигатель может быть изготовлен без электрических соединений с ротором. [а] Ротор асинхронного двигателя может быть либо тип раны или же беличьего типа.

Трехфазный Беличья клетка Асинхронные двигатели широко используются в качестве промышленных приводов, поскольку они самозапускаются, надежны и экономичны. Однофазные асинхронные двигатели широко используются для небольших нагрузок, таких как бытовые приборы, такие как вентиляторы. Хотя асинхронные двигатели традиционно используются для работы с фиксированной скоростью, они все чаще используются с частотно-регулируемые приводы (VFD) в режиме переменной скорости. ЧРП предлагают особенно важные возможности экономии энергии для существующих и будущих асинхронных двигателей с регулируемым крутящим моментом. центробежный применения с вентиляторами, насосами и компрессорами. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором очень широко используются как в приводах с фиксированной скоростью, так и в приводах с регулируемой частотой.

История

В 1824 г. французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающиеся магнитные поля, названный Повороты Араго. Включая и выключая переключатели вручную, Уолтер Бейли продемонстрировал это в 1879 году, фактически создав первый примитивный асинхронный двигатель. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

Первый коммутатор -бесплатный однофазный асинхронный двигатель переменного тока был изобретен Венгерский инженер Отто Блати; он использовал однофазный двигатель, чтобы продвигать свое изобретение, электрический счетчик. [9] [10]

Первые трехфазные асинхронные двигатели переменного тока без коммутатора были независимо изобретены Галилео Феррарис и Никола Тесла, работающая модель двигателя была продемонстрирована первым в 1885 году, а вторым в 1887 году. Тесла подал заявку на Патенты США в октябре и ноябре 1887 г. и получил некоторые из этих патентов в мае 1888 г. В апреле 1888 г. Королевская академия наук Турина опубликовал исследование Феррариса о его многофазном двигателе переменного тока, в котором подробно описаны основы работы двигателя. [5] [11] В мае 1888 года Тесла представил технический доклад Новая система для двигателей и трансформаторов переменного тока к Американский институт инженеров-электриков (AIEE) [12] [13] [14] [15] [16] описание трех типов четырехполюсных двигателей: один с четырехполюсным ротором, образующим несамозапускающийся реактивный двигатель, другой с заведенным ротором, образующим самозапускающийся асинхронный двигатель, а третий — истинным синхронный двигатель с отдельно возбужденным постоянным током на обмотку ротора.

Джордж Вестингауз, который разрабатывал мощность переменного тока Система в то время лицензировала патенты Tesla в 1888 году и приобрела опцион на патент США на концепцию асинхронного двигателя Ferraris. [17] Тесла также работал в течение одного года в качестве консультанта. Сотрудник Westinghouse К. Ф. Скотт был назначен помогать Tesla, а позже занялся разработкой асинхронного двигателя в Westinghouse. [12] [18] [19] [20] Настойчивый в продвижении трехэтапного развития, Михаил Доливо-Добровольский изобрел асинхронный двигатель с клеточным ротором в 1889 году и трехлепестковый трансформатор в 1890 году. [21] [22] Кроме того, он утверждал, что двигатель Теслы был непрактичным из-за двухфазных пульсаций, которые побудили его продолжать свою трехфазную работу. [23] Хотя Westinghouse выпустила свой первый асинхронный двигатель в 1892 году и разработала линейку многофазных двигателей 60 герц асинхронные двигатели в 1893 году, эти ранние двигатели Westinghouse были двухфазные двигатели с намотанными роторами до Б. Г. Ламме разработан вращающийся стержень намотки ротора. [12]

В Компания General Electric (GE) начала разработку трехфазных асинхронных двигателей в 1891 году. [12] К 1896 году General Electric и Westinghouse подписали соглашение о перекрестном лицензировании конструкции стержневой обмотки и ротора, позже названной ротором с короткозамкнутым ротором. [12] Артур Э. Кеннелли был первым, кто полностью раскрыл значение сложные числа (с помощью j для представления квадратного корня из минус единицы) для обозначения 90º вращение оператор при анализе проблем переменного тока. [24] GE Чарльз Протеус Штайнмец сильно развитое приложение сложных величин переменного тока, включая модель анализа, теперь широко известную как асинхронный двигатель Эквивалентная схема Штейнмеца. [12] [25] [26] [27]

Усовершенствования асинхронных двигателей, проистекающие из этих изобретений и инноваций, были такими, что 100-Лошадиные силы Асинхронный двигатель в настоящее время имеет те же установочные размеры, что и двигатель мощностью 7,5 лошадиных сил в 1897 году. [12]

Принцип действия

Как в индукции, так и в синхронные двигатели, мощность переменного тока, подаваемая на двигатель статор создает магнитное поле который вращается синхронно с колебаниями переменного тока. В то время как ротор синхронного двигателя вращается с той же скоростью, что и поле статора, ротор асинхронного двигателя вращается с несколько меньшей скоростью, чем поле статора. Следовательно, магнитное поле статора асинхронного двигателя изменяется или вращается относительно ротора. Это индуцирует встречный ток в роторе асинхронного двигателя, фактически во вторичной обмотке двигателя, когда последняя замкнута накоротко или замкнута из-за внешнего импеданса. [28] Вращающийся магнитный поток наводит токи в обмотках ротора, [29] аналогично токам, индуцированным в трансформатор вторичная обмотка (и).

Индуцированные токи в обмотках ротора, в свою очередь, создают магнитные поля в роторе, которые противодействуют полю статора. Направление создаваемого магнитного поля должно быть таким, чтобы противодействовать изменению тока через обмотки ротора, в соответствии с Закон Ленца. Причиной наведенного тока в обмотках ротора является вращающееся магнитное поле статора, поэтому, чтобы противодействовать изменению токов обмотки ротора, ротор начинает вращаться в направлении вращающегося магнитного поля статора. Ротор ускоряется до тех пор, пока величина индуцированного тока ротора и крутящего момента не уравновесит приложенную механическую нагрузку на вращение ротора. Поскольку вращение с синхронной скоростью не приведет к возникновению индуцированного тока ротора, асинхронный двигатель всегда работает немного медленнее, чем синхронная скорость. Разница или «проскальзывание» между фактической и синхронной скоростью варьируется от 0,5% до 5,0% для стандартных асинхронных двигателей с кривой крутящего момента конструкции B. [30] Существенный характер асинхронного двигателя заключается в том, что он создается исключительно за счет индукции, а не отдельно возбуждается, как в синхронных машинах или машинах постоянного тока, или самонамагничивается, как в двигатели с постоянными магнитами. [28]

Асинхронный двигатель можно использовать как индукционный генератор, или его можно развернуть, чтобы сформировать линейный асинхронный двигатель который может напрямую генерировать линейное движение. Генераторный режим для асинхронных двигателей усложняется необходимостью возбуждать ротор, который начинается только с остаточного намагничивания. В некоторых случаях этой остаточной намагниченности достаточно для самовозбуждения двигателя под нагрузкой. Следовательно, необходимо либо защелкнуть двигатель и на мгновение подключить его к сети, находящейся под напряжением, либо добавить конденсаторы, первоначально заряженные остаточным магнетизмом и обеспечивающие требуемую реактивную мощность во время работы. Аналогичным образом работает асинхронный двигатель параллельно с синхронным двигателем, служащим компенсатором коэффициента мощности. Особенностью режима генератора параллельно сети является то, что частота вращения ротора выше, чем в режиме движения. Затем в сеть передается активная энергия. [2] Еще одним недостатком асинхронного двигателя-генератора является то, что он потребляет значительный ток намагничивания. я₀ = (20-35)%.

Синхронная скорость

На двух рисунках справа и слева над каждой из них изображена 2-полюсная 3-фазная машина, состоящая из трех пар полюсов, каждая из которых расположена на расстоянии 60 ° друг от друга.

Соскальзывать

куда п s электрическая скорость статора, п р > — механическая скорость ротора. [34] [35] Скольжение, которое изменяется от нуля при синхронной скорости до 1 при остановке ротора, определяет крутящий момент двигателя. Поскольку короткозамкнутые обмотки ротора имеют небольшое сопротивление, даже небольшое скольжение вызывает большой ток в роторе и создает значительный крутящий момент. [36] При полной номинальной нагрузке скольжение изменяется от более 5% для двигателей малого или специального назначения до менее 1% для двигателей большой мощности. [37] Эти колебания скорости могут вызвать проблемы с распределением нагрузки при механическом соединении двигателей разных размеров. [37] Доступны различные методы для уменьшения скольжения, частотно-регулируемые приводы часто предлагают лучшее решение. [37]

Крутящий момент

Стандартный крутящий момент

Типичное соотношение скорости и крутящего момента стандартного многофазного асинхронного двигателя NEMA Design B показано на кривой справа. Двигатели конструкции B, подходящие для большинства низкопроизводительных нагрузок, таких как центробежные насосы и вентиляторы, ограничены следующими типичными диапазонами крутящего момента: [30] [b]

Момент пробоя (пиковый крутящий момент), 175–300% от номинального крутящего момента
Крутящий момент заторможенного ротора (крутящий момент при 100% скольжении), 75–275% от номинального крутящего момента
Повышающий крутящий момент, 65–190% от номинального крутящего момента.

В нормальном диапазоне нагрузок двигателя крутизна крутящего момента приблизительно линейна или пропорциональна скольжению, потому что значение сопротивления ротора, деленное на скольжение, р р ′ / s ‘/ s> , линейно доминирует над крутящим моментом. [38] Когда нагрузка превышает номинальную, коэффициенты реактивного сопротивления утечки статора и ротора постепенно становятся более значительными по сравнению с р р ′ / s ‘/ s> так что крутящий момент постепенно изменяется в сторону крутящего момента пробоя. Когда крутящий момент нагрузки увеличивается сверх момента пробоя, двигатель глохнет.

Запуск

Существует три основных типа малых асинхронных двигателей: однофазные с расщепленными полюсами, однофазные с расщепленными полюсами и многофазные.

В двухполюсных однофазных двигателях крутящий момент стремится к нулю при 100% скольжении (нулевая скорость), поэтому для этого требуются изменения в статоре, такие как заштрихованные столбы для обеспечения пускового момента. Однофазный асинхронный двигатель требует отдельной пусковой цепи для обеспечения вращающегося поля на двигатель. Нормально работающие обмотки в таком однофазном двигателе могут вызвать вращение ротора в любом направлении, поэтому пусковая схема определяет рабочее направление.

В некоторых однофазных двигателях меньшего размера запуск осуществляется путем поворота медного провода вокруг части полюса; такой полюс называется заштрихованным полюсом. Ток, наведенный в этом витке, отстает от тока питания, создавая запаздывающее магнитное поле вокруг заштрихованной части лицевой стороны полюса. Это обеспечивает достаточную энергию вращательного поля для запуска двигателя. Эти двигатели обычно используются в таких приложениях, как настольные вентиляторы и проигрыватели грампластинок, поскольку требуемый пусковой крутящий момент невелик, а низкая эффективность является приемлемой по сравнению со сниженной стоимостью двигателя и метода запуска по сравнению с другими конструкциями двигателей переменного тока.

Однофазные двигатели большего размера двухфазные двигатели и иметь вторую обмотку статора, питаемую противофазным током; такие токи могут быть созданы, пропуская обмотку через конденсатор или получая разные значения индуктивности и сопротивления от основной обмотки. В конденсаторный пуск В конструкциях вторая обмотка отключается, когда двигатель набирает обороты, обычно центробежным переключателем, воздействующим на груз на валу двигателя, или термистор который нагревается и увеличивает свое сопротивление, снижая ток через вторую обмотку до незначительного уровня. В конденсаторный конструкции сохраняют вторую обмотку во время работы, улучшая крутящий момент. А начало сопротивления В конструкции используется пускатель, включенный последовательно с пусковой обмоткой, создающий реактивное сопротивление.

Самозапускающиеся многофазные асинхронные двигатели создают крутящий момент даже в состоянии покоя. Доступные методы пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором включают прямой пуск, пуск реактора пониженного напряжения или автотрансформатора, пуск звезда-треугольник или, все чаще, новые твердотельные мягкие сборки и, конечно же, частотно-регулируемые приводы (ЧРП). [39]

Многофазные двигатели имеют стержни ротора, форма которых обеспечивает различные характеристики скорости-момента. Распределение тока в стержнях ротора зависит от частоты индуцированного тока. В состоянии покоя ток ротора имеет ту же частоту, что и ток статора, и имеет тенденцию проходить через крайние части стержней ротора сепаратора (за счет скин эффект ). Различные формы стержней могут дать полезные различные характеристики скорости-момента, а также некоторый контроль над пусковым током при запуске.

Хотя многофазные двигатели по своей природе самозапускаются, их расчетные пределы пускового момента и пускового момента должны быть достаточно высокими, чтобы преодолевать реальные условия нагрузки.

В двигателях с фазным ротором соединение цепи ротора через контактные кольца с внешними сопротивлениями позволяет изменять характеристики скорости-момента для управления ускорением и регулированием скорости.

Контроль скорости

Сопротивление

До развития полупроводника силовая электроника, было трудно изменять частоту, и асинхронные двигатели с сепаратором в основном использовались в приложениях с фиксированной скоростью. Такие приложения, как электрические мостовые краны, использовали приводы постоянного тока или двигатели с фазным ротором (WRIM) с контактные кольца для подключения контура ротора к переменному внешнему сопротивлению, позволяющему регулировать скорость в широких пределах. Однако потери в резисторах, связанные с работой WRIM на низкой скорости, являются основным недостатком стоимости, особенно для постоянных нагрузок. [40] Приводы двигателей с большими токосъемными кольцами, называемые системами рекуперации энергии скольжения, некоторые из которых все еще используются, рекуперируют энергию из контура ротора, выпрямляют ее и возвращают в систему питания с помощью частотно-регулируемого привода.

Каскад

Скорость пары электродвигателей с фазным ротором может регулироваться каскадным соединением или конкатенацией. Ротор одного двигателя соединен со статором другого. [41] [42] Если два двигателя также соединены механически, они будут работать с половинной скоростью. Эта система когда-то широко использовалась в железнодорожных локомотивах трехфазного переменного тока, таких как FS класс E.333.

Частотно-регулируемый привод

Во многих промышленных применениях с регулируемой скоростью приводы постоянного тока и WRIM заменяются асинхронными двигателями с частотно-регулируемым приводом. Наиболее распространенный эффективный способ управления скоростью асинхронного двигателя многих нагрузок — это частотно-регулируемые приводы. Барьеры на пути к внедрению частотно-регулируемых приводов из-за соображений стоимости и надежности были значительно уменьшены за последние три десятилетия, так что, по оценкам, приводная технология применяется в 30–40% всех вновь установленных двигателей. [43]

Преобразователи частоты реализуют скалярное или векторное управление асинхронным двигателем.

С скалярное управление, без контроля фазы (отсутствие обратной связи по положению ротора) контролируются только величина и частота напряжения питания. Скалярное управление подходит для приложений, где нагрузка постоянна.

Векторное управление позволяет независимо управлять скоростью и крутящим моментом двигателя, что позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменении момента нагрузки. Но векторное управление дороже из-за стоимости датчика (не всегда) и необходимости более мощного контроллера. [44]

Строительство

Статор асинхронного двигателя состоит из полюсов, по которым проходит ток питания, чтобы индуцировать магнитное поле, пронизывающее ротор. Чтобы оптимизировать распределение магнитного поля, обмотки распределены в пазах вокруг статора, причем магнитное поле имеет одинаковое количество северных и южных полюсов. Асинхронные двигатели чаще всего работают от однофазного или трехфазного питания, но существуют двухфазные двигатели; Теоретически асинхронные двигатели могут иметь любое количество фаз. Многие однофазные двигатели с двумя обмотками можно рассматривать как двухфазные, поскольку конденсатор используется для генерации второй фазы мощности под углом 90 ° от однофазного источника питания и подачи ее на вторую обмотку двигателя. Однофазные двигатели требуют наличия какого-либо механизма для создания вращающегося поля при запуске. Токопроводящие шины ротора асинхронного двигателя с сепаратором обычно перекошены, чтобы избежать магнитной блокировки.

Стандартизованные размеры корпуса двигателя NEMA и IEC во всей отрасли приводят к взаимозаменяемым размерам для вала, крепления на лапах, общих аспектов, а также некоторых аспектов фланца двигателя. Поскольку открытая конструкция двигателя с защитой от капель (ODP) допускает свободный воздухообмен извне к внутренним обмоткам статора, этот тип двигателя имеет тенденцию быть немного более эффективным, поскольку обмотки более холодные. При данной номинальной мощности для более низкой скорости требуется рама большего размера. [45]

Реверс вращения

Способ изменения направления вращения асинхронного двигателя зависит от того, является ли он трехфазным или однофазным. В случае трехфазного тока реверс легко реализуется путем переключения местами любых двух фазных проводов.

В однофазном двигателе с расщепленной фазой реверсирование достигается путем изменения соединения между первичной обмоткой и цепью запуска. Некоторые однофазные двигатели с расщепленной фазой, разработанные для конкретных применений, могут иметь внутреннее соединение между первичной обмоткой и цепью пуска, так что вращение не может быть изменено. Кроме того, однофазные двигатели с расщепленными полюсами имеют фиксированное вращение, и направление не может быть изменено, кроме как путем разборки двигателя и поворота статора в противоположную сторону относительно исходного направления ротора.

Фактор силы

В фактор силы асинхронных двигателей изменяется в зависимости от нагрузки, обычно от 0,85 или 0,90 при полной нагрузке до примерно 0,20 без нагрузки, [39] из-за утечки статора и ротора и реактивных сопротивлений намагничивания. [46] Коэффициент мощности можно улучшить, подключив конденсаторы либо к отдельному двигателю, либо, предпочтительно, к общей шине, охватывающей несколько двигателей. По экономическим и другим соображениям в энергосистемах коэффициент мощности редко корректируется до единичного коэффициента мощности. [47] Применение силовых конденсаторов с гармоническими токами требует анализа энергосистемы, чтобы избежать гармонического резонанса между конденсаторами и реактивными сопротивлениями трансформатора и цепи. [48] Для минимизации резонансного риска и упрощения анализа энергосистемы рекомендуется коррекция коэффициента мощности общей шины. [48]

Эффективность

КПД двигателя при полной нагрузке составляет около 85–97%, соответствующие потери двигателя разбиваются примерно следующим образом: [49]

Трение и парусность, 5–15%
Утюг или потери в сердечнике, 15–25%
Потери в статоре, 25–40%
Потери в роторе, 15–25%
Потери от паразитной нагрузки 10–20%.

Различные регулирующие органы во многих странах приняли и внедрили законы, поощряющие производство и использование электродвигателей с более высоким КПД. Существует существующее и готовящееся к рассмотрению законодательство относительно будущего обязательного использования асинхронных двигателей с повышенным КПД в определенном оборудовании. Для получения дополнительной информации см .: Премиальная эффективность.

Эквивалентная схема Штейнмеца

Многие полезные взаимосвязи двигателя между временем, током, напряжением, скоростью, коэффициентом мощности и крутящим моментом можно получить из анализа Steinmetz эквивалентная схема (также называемая Т-образной схемой или эквивалентной схемой, рекомендованной IEEE), математическая модель, используемая для описания того, как входная электрическая мощность асинхронного двигателя преобразуется в полезную выходную механическую энергию. Эквивалентная схема представляет собой однофазное представление многофазного асинхронного двигателя, действующего в установившихся условиях сбалансированной нагрузки.

Эквивалентная схема Штейнмеца выражается просто через следующие компоненты:

сопротивление и реактивное сопротивление утечки ( р s , Икс s ). сопротивление, реактивное сопротивление утечки и скольжение ( р р > , Икс р > или же р р ′ ‘> , Икс р ′ ‘> , и s ). реактивное сопротивление ( Икс м > ).

Перефразируя Алджера в Ноултоне, асинхронный двигатель — это просто электрический трансформатор, магнитная цепь которого разделена воздушным зазором между обмоткой статора и подвижной обмоткой ротора. [28] Соответственно, эквивалентная схема может быть показана либо с компонентами эквивалентной схемы соответствующих обмоток, разделенных идеальным трансформатором, либо с компонентами ротора, относящимися к стороне статора, как показано в следующей схеме и соответствующих таблицах уравнений и определений параметров. [39] [47] [50] [51] [52] [53]

Следующие практические приближения применяются к схеме: [53] [54] [55]

Максимальный ток возникает в условиях тока заторможенного ротора (LRC) и несколько меньше V s / Икс / X> , при этом LRC обычно в 6-7 раз превышает номинальный ток для двигателей стандартной конструкции B. [30]
Момент пробоя Т Максимум >> происходит когда s ≈ р р ′ / Икс > ‘/ X> и я s ≈ 0.7 L р C приблизительно 0,7 ; LRC> такой, что Т Максимум ≈ K V s 2 / 2 Икс > около KV _ ^ / 2X> и, таким образом, при постоянном входном напряжении максимальный крутящий момент асинхронного двигателя с низким проскальзыванием составляет примерно половину от номинального значения LRC.
Относительное реактивное сопротивление утечки статора к ротору асинхронных двигателей стандартной конструкции с корпусом B составляет [56] Икс s Икс р ′ ≈ 0.4 0.6 > > ‘>> приблизительно >> .
Если пренебречь сопротивлением статора, кривая крутящего момента асинхронного двигателя сводится к уравнению Клосса [57] Т Эм ≈ 2 Т Максимум s s Максимум + s Максимум s приблизительно >> >> + >>>>>> , куда s Максимум >> скользит по Т Максимум >> .

Эквивалентный импеданс двигателя на входе

Ток ротора относительно стороны статора в терминах тока статора

Из эквивалентной схемы Штейнмеца имеем

То есть мощность воздушного зазора равна выходной электромеханической мощности плюс потери в меди в роторе.

Похожие публикации:

690lc что за устройство
Pe class что это
Скупка кабеля как изделие
Галогеновые лампы для дома как выбрать

Индукционный двигатель что это такое

Индукционные двигатели и мотор-редукторы переменного тока

Индукторный электродвигатель

Индукторный электродвигатель — важное устройство для множества областей

Определение и принцип работы

Преимущества и области применения

Ключевые особенности и характеристики

Технические параметры и конструкция

Сравнение с другими типами электродвигателей

Преимущества по сравнению с синхронными электродвигателями

Преимущества по сравнению с электродвигателями постоянного тока

Производители и модели на рынке

ABB

Siemens

WEG

Практические примеры использования

Рекомендации по выбору и эксплуатации

Вопрос-ответ:

Что такое индукторный электродвигатель?

Как работает индукторный электродвигатель?

Где применяется индукторный электродвигатель?

Каковы преимущества и недостатки индукторного электродвигателя?

Что такое индукторный электродвигатель?

Как работает индукторный электродвигатель?

Какие преимущества имеют индукторные электродвигатели?

Электродвигатели: какие они бывают

Двигатель постоянного тока (ДПТ)

Универсальный коллекторный двигатель

Асинхронный электродвигатель

Синхронный электродвигатель

Вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (ВИД СВ, SRM)

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ)

Заключение: какой же электродвигатель самый лучший?

Индукционный двигатель что это такое

Индукционные двигатели и мотор-редукторы переменного тока

Электродвигатели: какие они бывают

Двигатель постоянного тока (ДПТ)

Универсальный коллекторный двигатель

Асинхронный электродвигатель

Синхронный электродвигатель

Вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (ВИД СВ, SRM)

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ)

Заключение: какой же электродвигатель самый лучший?

Принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронный или коллекторный: как отличить

Как устроены коллекторные движки

Асинхронные

Ротор

О том, как работает этот двигатель

Устройство АД

Индукционный электродвигатель с расщеплённой фазой

Применение индукционного электродвигателя с расщеплённой фазой

Примеры индукторных приводов, разработанных и сделанных нашим предприятием

Электродвигатель с постоянным разделяющим конденсатором

Преимущества и способы использования

Индукционные однофазные электродвигатели с экранированным полюсом

Схемы подключения однофазных асинхронных двигателей

С пусковой обмоткой

Конденсаторный

Схема с двумя конденсаторами

Подбор конденсаторов

Индукционный двигатель — Induction motor

История

Принцип действия

Синхронная скорость

Соскальзывать

Крутящий момент

Стандартный крутящий момент

Запуск

Контроль скорости

Сопротивление

Каскад

Частотно-регулируемый привод

Строительство

Реверс вращения

Фактор силы

Эффективность

Эквивалентная схема Штейнмеца

Добавить комментарий Отменить ответ