На системном уровне (рисунок выше) двигатель потребляет электрическую энергию в виде разности потенциалов и тока, преобразуя ее в механическую работу.К сожалению, электродвигатели не на 100% эффективны. Часть электроэнергии теряется на тепло, другой вид энергии, из-за потерь I2R (также называемых потерями в меди) в обмотках двигателя. Тепло — нежелательный побочный продукт этого преобразования. Его необходимо снимать с двигателя, так как это может отрицательно сказаться на долговечности. Таким образом, одна из целей — максимизировать КПД двигателя, уменьшая тепловые потери. Двигатели переменного тока также имеют некоторые потери, с которыми не сталкиваются двигатели постоянного тока: гистерезис и вихревые токи.

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

Никола Тесла разработал основные принципы многофазного асинхронного двигателя в 1883 году и к 1888 году создал модель мощностью в половину лошадиных сил (400 Вт). Тесла продал права на производство Джорджу Вестингаузу за 65 000 долларов. Самые крупные (> 1 л.с. или 1 кВт) промышленные двигатели многофазные асинхронные двигатели . Под многофазностью мы подразумеваем, что статор содержит несколько различных обмоток на полюс двигателя, приводимых в действие соответствующими синусоидальными волнами со сдвигом во времени.На практике это две-три фазы. Крупные промышленные двигатели трехфазные. Хотя для простоты мы включили многочисленные иллюстрации двухфазных двигателей, мы должны подчеркнуть, что почти все многофазные двигатели являются трехфазными. Под асинхронным двигателем мы подразумеваем, что обмотки статора индуцируют ток в проводниках ротора, как трансформатор, в отличие от коллекторного двигателя постоянного тока с коллектором.

Конструкция асинхронного двигателя переменного тока

Асинхронный двигатель состоит из ротора, известного как якорь, и статора, содержащего обмотки, подключенные к многофазному источнику энергии, как показано на рисунке ниже.Простой двухфазный асинхронный двигатель, представленный ниже, похож на двигатель мощностью 1/2 лошадиные силы, который Никола Тесла представил в 1888 году.

Статор на рисунке выше намотан парами катушек, соответствующих фазам имеющейся электрической энергии. Статор двухфазного асинхронного двигателя выше имеет 2 пары катушек, по одной паре для каждой из двух фаз переменного тока. Отдельные катушки пары соединены последовательно и соответствуют противоположным полюсам электромагнита.То есть одна катушка соответствует N-полюсу, другая — S-полюсу, пока фаза переменного тока не изменит полярность. Другая пара катушек ориентирована в пространстве под углом 90 ° к первой паре. Эта пара катушек подключена к переменному току, сдвинутому во времени на 90 ° в случае двухфазного двигателя. Во времена Теслы источником двух фаз переменного тока был двухфазный генератор переменного тока. Статор на рисунке выше имеет выступающих полюсов, явно выступающих, как в ранних асинхронных двигателях Tesla. Эта конструкция используется по сей день для двигателей с малой мощностью (<50 Вт).Однако для более мощных двигателей меньшая пульсация крутящего момента и более высокий КПД достигается, если катушки встроены в пазы, вырезанные в пластинах статора (рисунок ниже).

Пластины статора представляют собой тонкие изолированные кольца с прорезями, пробитыми из листов электротехнической стали. Набор из них закреплен концевыми винтами, которые также могут удерживать концевые кожухи.

На рисунке выше обмотки двухфазного и трехфазного двигателей установлены в пазы статора.Катушки наматываются на внешнее приспособление, а затем вставляются в пазы. Изоляция, зажатая между периферией катушки и пазом, защищает от истирания. Фактические обмотки статора более сложны, чем отдельные обмотки на полюс на рисунке выше. Сравнивая двигатель 2-φ с двигателем Tesla 2-φ с выступающими полюсами, количество катушек такое же. В реальных больших двигателях обмотка полюса разделена на идентичные катушки, вставленные во множество пазов меньшего размера, чем указано выше. Эта группа называется фазовой лентой (см. Рисунок ниже).Распределенные катушки фазового пояса подавляют некоторые нечетные гармоники, создавая более синусоидальное распределение магнитного поля по полюсу. Это показано в разделе синхронного двигателя. В прорезях на краю стойки может быть меньше витков, чем в других прорезях. Краевые пазы могут содержать обмотки от двух фаз. То есть фазовые пояса перекрываются.

Проводники в короткозамкнутой клетке могут быть перекошены, перекручены относительно вала.Несоосность пазов статора снижает пульсации крутящего момента. Сердечники ротора и статора состоят из пакета изолированных пластин. Пластины покрыты изолирующим оксидом или лаком для минимизации потерь на вихревые токи. Сплав, используемый в пластинах, выбран из соображений низких гистерезисных потерь.

Теория работы асинхронных двигателей

Краткое объяснение работы заключается в том, что статор создает вращающееся магнитное поле, которое волочит ротор. Теория работы асинхронных двигателей основана на вращающемся магнитном поле.Один из способов создания вращающегося магнитного поля — вращение постоянного магнита. Если движущиеся магнитные линии потока разрезают проводящий диск, он будет следовать за движением магнита. Линии магнитного потока, разрезающие проводник, будут индуцировать напряжение и, как следствие, ток в проводящем диске. Этот поток тока создает электромагнит, полярность которого противодействует движению постоянного магнита — Закон Ленца . Полярность электромагнита такова, что он притягивается к постоянному магниту.Диск следует с немного меньшей скоростью, чем постоянный магнит.

Крутящий момент, развиваемый диском, пропорционален количеству линий магнитного потока, разрезающих диск, и скорости, с которой он разрезает диск. Если бы диск вращался с той же скоростью, что и постоянный магнит, не было бы ни потока, разрезающего диск, ни индуцированного тока, ни поля электромагнита, ни крутящего момента.Таким образом, скорость диска всегда будет ниже скорости вращающегося постоянного магнита, так что линии потока, разрезающие диск, индуцируют ток, создают электромагнитное поле в диске, которое следует за постоянным магнитом. Если к диску приложена нагрузка, замедляющая его, будет развиваться больший крутящий момент, поскольку больше линий магнитного потока разрезают диск. Крутящий момент пропорционален скольжению , степени, в которой диск отстает от вращающегося магнита. Большее скольжение соответствует большему потоку, разрезающему проводящий диск, создавая больший крутящий момент.В основе аналогового автомобильного вихретокового спидометра лежит принцип, проиллюстрированный выше. Когда диск удерживается пружиной, отклонение диска и иглы пропорционально скорости вращения магнита. Вращающееся магнитное поле создается двумя катушками, расположенными под прямым углом друг к другу, которые управляются токами, которые не совпадают по фазе на 90 °. Это не должно вызывать удивления, если вы знакомы с диаграммами Лиссажу на осциллографах.

Смещенные по фазе (90 °) синусоидальные волны образуют круговую диаграмму Лиссажу. На приведенном выше рисунке круговая диаграмма Лиссажу создается при подаче горизонтального и вертикального входных сигналов осциллографа с отклонением по фазе синусоидальных волн на 90 °.Начиная с (a) с максимальным отклонением «X» и минимальным «Y», след перемещается вверх и влево в направлении (b). Между (a) и (b) две формы волны равны 0,707 Vpk при 45 °. Эта точка (0,707, 0,707) попадает на радиус окружности между (a) и (b). Трасса перемещается в (b) с минимальным отклонением «X» и максимальным отклонением «Y». При максимальном отрицательном отклонении «X» и минимальном отклонении «Y» след перемещается в (c). Затем с минимальным «X» и максимальным отрицательным «Y» он переходит в (d), а затем обратно в (a), завершая один цикл.

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

Полная скорость двигателя и скорость синхронного двигателя

Скорость вращения вращающегося магнитного поля статора связана с количеством пар полюсов на фазу статора.На приведенном ниже рисунке «полная скорость» всего шесть полюсов или три пары полюсов и три фазы. Однако на каждую фазу приходится только одна пара полюсов. Магнитное поле будет вращаться один раз за цикл синусоидальной волны. В случае мощности 60 Гц поле вращается со скоростью 60 раз в секунду или 3600 оборотов в минуту (об / мин). При мощности 50 Гц он вращается со скоростью 50 оборотов в секунду или 3000 об / мин. 3600 и 3000 об / мин — это синхронная скорость двигателя. Хотя ротор асинхронного двигателя никогда не достигает этой скорости, это определенно верхний предел.Если мы удвоим количество полюсов двигателя, синхронная скорость уменьшится вдвое, потому что магнитное поле вращается в пространстве на 180 ° на 360 ° электрической синусоидальной волны.

Синхронная скорость определяется по формуле:

[латекс] N_s = \ frac {120 \ cdot f} {P} [/ латекс]

Где:

Н _с = Скорость магнитного поля (об / мин)

f = частота подаваемой мощности (Гц)

P = общее количество полюсов на фазу, кратное 2

На приведенном выше рисунке «половинная скорость» четыре полюса на фазу (3 фазы).Синхронная скорость для мощности 50 Гц составляет: S = 120 · 50/4 = 1500 об / мин

Краткое объяснение асинхронного двигателя состоит в том, что вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, увлекает за собой ротор. Более подробное и более правильное объяснение состоит в том, что магнитное поле статора индуцирует переменный ток в проводниках короткозамкнутого ротора, которые составляют трансформатор. вторичный. Этот индуцированный ток ротора, в свою очередь, создает магнитное поле. Магнитное поле вращающегося статора взаимодействует с этим полем ротора.Поле ротора пытается выровняться с полем вращающегося статора. Результат — вращение ротора с короткозамкнутым ротором. Если бы не было механической нагрузки крутящего момента двигателя, подшипников, сопротивления ветра или других потерь, ротор вращался бы с синхронной скоростью. Однако скольжение между ротором и полем статора синхронной скорости развивает крутящий момент. Именно магнитный поток, разрезающий проводники ротора при его проскальзывании, создает крутящий момент. Таким образом, нагруженный двигатель будет скользить пропорционально механической нагрузке.Если бы ротор работал с синхронной скоростью, не было бы потока статора, разрезающего ротор, не было бы тока, индуцированного в роторе, не было бы крутящего момента.

Крутящий момент в асинхронных двигателях

При первой подаче питания на двигатель ротор находится в состоянии покоя, а магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью N _s . Поле статора режет ротор с синхронной скоростью N _s . Ток, индуцированный в закороченных витках ротора, является максимальным, как и частота тока, частота сети.По мере увеличения скорости ротора скорость, с которой магнитный поток статора сокращает ротор, представляет собой разницу между синхронной скоростью N _s и фактической скоростью N ротора, или (N _s — N). Отношение фактического потока, разрезающего ротор, к синхронной скорости определяется как скольжение :

[латекс] s = \ frac {(N_s — N)} {N_s} [/ латекс]

Где:

N _с = синхронная скорость

N = частота вращения ротора

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

[латекс] f_r = s \ cdot f [/ латекс]

Где:

с = скольжение,

f = частота сети статора

Скольжение при 100% крутящем моменте обычно составляет 5% или меньше в асинхронных двигателях. Таким образом, для частоты сети f = 50 Гц частота наведенного тока в роторе:

f _r = S (f)
= 0,05 (50 Гц)
= 2,5 Гц.

Почему он такой низкий? Магнитное поле статора вращается с частотой 50 Гц.Скорость вращения ротора на 5% меньше. Вращающееся магнитное поле режет ротор только с частотой 2,5 Гц. 2,5 Гц — это разница между синхронной скоростью и фактической скоростью ротора. Если ротор вращается немного быстрее при синхронной скорости, никакой поток не будет резать ротор вообще, f _r = 0.

На приведенном выше графике показано, что пусковой крутящий момент, известный как крутящий момент заторможенного ротора (T _LR ), превышает 100% крутящего момента при полной нагрузке (T _FL ), безопасного продолжительного крутящего момента.Крутящий момент заблокированного ротора составляет около 175% от T _FL для приведенного выше примера двигателя. Пусковой ток, известный как ток заторможенного ротора (I _LR ), составляет 500% от тока полной нагрузки (I _FL ), безопасного рабочего тока. Ток большой, потому что это аналог закороченной вторичной обмотки трансформатора. Когда ротор начинает вращаться, крутящий момент может немного уменьшиться для определенных классов двигателей до значения, известного как тяговый момент . Это самое низкое значение крутящего момента, с которым когда-либо сталкивался пусковой двигатель.Когда ротор набирает 80% синхронной скорости, крутящий момент увеличивается со 175% до 300% крутящего момента полной нагрузки. Этот пробивной крутящий момент (T _BD ) происходит из-за большего, чем обычно, 20% скольжения. Сила тока в этот момент уменьшилась лишь незначительно, но после этого будет быстро уменьшаться. Когда ротор ускоряется с точностью до нескольких процентов от синхронной скорости, как крутящий момент, так и ток значительно уменьшаются. При нормальной работе скольжение будет составлять всего несколько процентов. Для работающего двигателя любой участок кривой крутящего момента ниже 100% номинального крутящего момента является нормальным.Нагрузка двигателя определяет рабочую точку на кривой крутящего момента. В то время как крутящий момент и ток двигателя могут превышать 100% в течение нескольких секунд во время запуска, продолжительная работа выше 100% может привести к повреждению двигателя. Любая крутящая нагрузка двигателя, превышающая крутящий момент пробоя, приведет к остановке двигателя. Крутящий момент, скольжение и ток будут приближаться к нулю в условиях нагрузки «без механического крутящего момента». Это состояние аналогично разомкнутому вторичному трансформатору. Существует несколько основных конструкций асинхронных двигателей, которые значительно отличаются от кривой крутящего момента, приведенной выше.Различные конструкции оптимизированы для запуска и работы с различными типами нагрузок. Крутящий момент заблокированного ротора (T _LR ) для двигателей различных конструкций и размеров составляет от 60% до 350% момента полной нагрузки (T _FL ). Пусковой ток или ток заторможенного ротора (I _LR ) может находиться в диапазоне от 500% до 1400% от тока полной нагрузки (I _FL ). Этот потребляемый ток может вызвать проблемы с запуском больших асинхронных двигателей.

Классы двигателей NEMA и IEC

Различные стандартные классы (или конструкции) двигателей, соответствующие кривым крутящего момента (рисунок ниже), были разработаны для лучшего управления нагрузками различных типов.Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) определила классы двигателей A, B, C и D для удовлетворения этих требований к приводам. Аналогичные классы N и H Международной электротехнической комиссии (IEC) соответствуют конструкциям NEMA B и C соответственно.

Характеристики для проектов NEMA

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

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

Коэффициент мощности асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели имеют отстающий (индуктивный) коэффициент мощности от линии электропередачи. Коэффициент мощности больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателей может достигать 90% для больших высокоскоростных двигателей. При 3/4 полной нагрузки максимальный коэффициент мощности высокоскоростного двигателя может составлять 92%.Коэффициент мощности малых тихоходных двигателей может составлять всего 50%. При запуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, увеличиваясь по мере достижения ротором скорости. Коэффициент мощности (PF) значительно зависит от механической нагрузки двигателя (рисунок ниже). Ненагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичной обмотке. Небольшое сопротивление отражается от вторичной обмотки (ротора) к первичной обмотке (статору). Таким образом, в линии электропередачи присутствует реактивная нагрузка до 10% коэффициента мощности. Когда ротор нагружен, возрастающая резистивная составляющая отражается от ротора к статору, увеличивая коэффициент мощности.

КПД асинхронного двигателя

Большие трехфазные двигатели более эффективны, чем трехфазные двигатели меньшего размера, и почти все однофазные двигатели. КПД большого асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя чаще встречается 90%. Эффективность малонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя низкая, потому что большая часть тока связана с поддержанием намагничивающего потока. Когда нагрузка крутящего момента увеличивается, больше тока потребляется для создания крутящего момента, в то время как ток, связанный с намагничиванием, остается фиксированным.Эффективность при 75% FLT может быть немного выше, чем при 100% FLT. Эффективность снижается на несколько процентов при FLT 50% и снижается еще на несколько процентов при FLT 25%. Эффективность становится низкой только ниже 25% FLT. Изменение КПД в зависимости от нагрузки показано на рисунке выше. Индукционные двигатели обычно имеют завышенные размеры, чтобы гарантировать, что их механическая нагрузка может быть запущена и приведена в действие при любых условиях эксплуатации. Если многофазный двигатель нагружен менее 75% номинального крутящего момента, когда КПД достигает пика, КПД страдает лишь незначительно до 25% FLT.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА предложил корректор коэффициента мощности (PFC) в качестве энергосберегающего устройства для однофазных асинхронных двигателей в конце 1970-х годов. Он основан на предположении, что асинхронный двигатель с неполной нагрузкой менее эффективен и имеет меньший коэффициент мощности, чем двигатель с полной нагрузкой. Таким образом, можно сэкономить энергию в частично загруженных двигателях, в частности, в двигателях 1-φ. Энергия, потребляемая для поддержания магнитного поля статора, относительно фиксирована по отношению к изменениям нагрузки.Хотя в полностью загруженном двигателе экономить нечего, напряжение на частично загруженном двигателе может быть уменьшено, чтобы уменьшить энергию, необходимую для поддержания магнитного поля. Это повысит коэффициент мощности и эффективность. Это была хорошая концепция для заведомо неэффективных однофазных двигателей, для которых она предназначалась. Эта концепция не очень применима к большим трехфазным двигателям. Из-за их высокого КПД (90% +) экономия энергии невелика. Более того, двигатель с КПД 95% по-прежнему имеет КПД 94% при 50% крутящем моменте при полной нагрузке (FLT) и 90% КПД при 25% FLT.Потенциальная экономия энергии при переходе от 100% FLT к 25% FLT составляет разницу в эффективности 95% — 90% = 5%. Это не 5% мощности при полной нагрузке, а 5% мощности при пониженной нагрузке. Корректор коэффициента мощности Nola может быть применим к 3-фазному двигателю, который большую часть времени простаивает (ниже 25% FLT), например к пробивному прессу. Срок окупаемости дорогостоящего электронного контроллера был оценен как непривлекательный для большинства приложений. Тем не менее, он может быть экономичным в составе электронного пускателя двигателя или регулятора скорости.Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если это привод

Асинхронные двигатели в качестве генераторов переменного тока

Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если он приводится в движение крутящим моментом, превышающим 100% синхронной скорости (рисунок ниже). Это соответствует нескольким% «отрицательного» скольжения, скажем, -1%. Это означает, что, поскольку мы вращаем двигатель быстрее, чем синхронная скорость, ротор продвигается на 1% быстрее, чем вращающееся магнитное поле статора. Обычно он отстает в двигателе на 1%.Поскольку ротор разрезает магнитное поле статора в противоположном направлении (впереди), ротор индуцирует напряжение в статоре, возвращая электрическую энергию обратно в линию электропередачи.

Такой индукционный генератор должен возбуждаться «живым» источником мощностью 50 или 60 Гц. В случае сбоя в электроснабжении энергокомпании выработка электроэнергии невозможна. Этот тип генератора не подходит в качестве резервного источника питания.Преимущество ветряного генератора вспомогательной энергии состоит в том, что он не требует автоматического выключателя отключения питания для защиты ремонтных бригад. Это безотказно.

Небольшие удаленные (от электросети) установки могут быть выполнены с самовозбуждением путем размещения конденсаторов параллельно фазам статора. Если снять нагрузку, остаточный магнетизм может вызвать небольшой ток. Этот ток может протекать через конденсаторы без рассеивания мощности. Когда генератор достигает полной скорости, ток увеличивается, чтобы подать ток намагничивания на статор.В этот момент может быть приложена нагрузка. Слабое регулирование напряжения. Асинхронный двигатель может быть преобразован в генератор с самовозбуждением путем добавления конденсаторов.

Процедура запуска заключается в доведении ветряной турбины до скорости в двигательном режиме путем подачи на статор нормального напряжения линии электропередачи. Любая вызванная ветром скорость турбины, превышающая синхронную, будет развивать отрицательный крутящий момент, возвращая мощность в линию электропередачи, изменяя нормальное направление электрического счетчика киловатт-часов.В то время как асинхронный двигатель представляет отстающий коэффициент мощности для линии электропередачи, асинхронный генератор переменного тока представляет собой ведущий коэффициент мощности. Индукционные генераторы не используются широко на обычных электростанциях. Скорость привода паровой турбины является постоянной и регулируемой в соответствии с требованиями синхронных генераторов переменного тока. Синхронные генераторы также более эффективны.

Скорость ветряной турбины трудно контролировать, и скорость ветра может изменяться порывами. Асинхронный генератор лучше справляется с этими колебаниями из-за собственного проскальзывания.Это меньше нагружает зубчатую передачу и механические компоненты, чем синхронный генератор. Однако это допустимое изменение скорости составляет всего около 1%. Таким образом, индукционный генератор, подключенный к прямой линии, считается ветряной турбиной с фиксированной скоростью (см. Асинхронный генератор с двойным питанием для истинного генератора переменного тока с регулируемой скоростью). Несколько генераторов или несколько обмоток на общем валу можно переключать для обеспечения высокой и низкой скорости, чтобы приспособиться к переменным ветровым условиям.

Асинхронные двигатели с несколькими полями

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

Если поле сегментировано с выведенными выводами, оно может быть изменено (или переключено) с 4-полюсного на 2-полюсное, как показано выше для 2-фазного двигателя. Сегменты 22,5 ° переключаются на сегменты 45 °. Для ясности выше показана только проводка для одной фазы. Таким образом, наш асинхронный двигатель может работать на нескольких скоростях. При переключении вышеупомянутого двигателя 60 Гц с 4 полюсов на 2 полюса синхронная скорость увеличивается с 1800 до 3600 об / мин.

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

А:

[латекс] N_s = \ frac {120f} {P} [/ latex] [latex] N_s = \ frac {120 * 50Hz} {4} [/ latex] [latex] = 1500 об / мин (4-полюсный) [ / латекс]

[латекс] N_s = \ frac {120f} {P} [/ latex] [latex] N_s = \ frac {120 * 50Hz} {2} [/ latex] [latex] = 3000 об / мин (2-полюсный) [ / латекс]

Асинхронные двигатели с переменным напряжением

Скорость малых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для таких применений, как приводные вентиляторы, может быть изменена путем снижения сетевого напряжения.Это снижает крутящий момент, доступный нагрузке, что снижает скорость (см. Рисунок ниже).

Электронное регулирование скорости в асинхронных двигателях

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

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

Когда для управления асинхронным двигателем применяется электроника, становится доступно множество методов управления, от простого до сложного:

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

• Многофазный асинхронный двигатель состоит из многофазной обмотки, встроенной в многослойный статор, и проводящей короткозамкнутой клетки, встроенной в многослойный ротор.
• Трехфазные токи, протекающие внутри статора, создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток и, следовательно, магнитное поле в роторе. Крутящий момент ротора развивается, когда ротор немного проскальзывает за вращающимся полем статора.
• В отличие от однофазных двигателей, многофазные асинхронные двигатели самозапускаются.
• Пускатели двигателей минимизируют нагрузку на линию питания, обеспечивая при этом больший пусковой крутящий момент, чем требуется во время работы.Снижение линейного тока Пускатели требуются только для больших двигателей.
• Трехфазные двигатели при запуске будут работать от однофазных.
• Статический преобразователь фазы — это трехфазный двигатель, работающий на одной фазе без нагрузки на вал, генерирующий трехфазный выходной сигнал.
• Несколько обмоток возбуждения можно перемонтировать для работы с несколькими дискретными скоростями двигателя, изменив количество полюсов.

Трехфазный двигатель может работать от однофазного источника питания.Однако он не запускается самостоятельно. Его можно запустить вручную в любом направлении, набрав скорость за несколько секунд. Он будет развивать только 2/3 номинальной мощности 3-φ, потому что одна обмотка не используется.

Одинарная катушка однофазного двигателя

Одиночная катушка однофазного асинхронного двигателя создает не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее поле, достигающее максимальной напряженности при электрическом напряжении 0 ° и 180 °.

Другая точка зрения состоит в том, что одиночная катушка, возбуждаемая однофазным током, создает два вектора магнитного поля, вращающихся в противоположных направлениях, совпадающих дважды за оборот при 0 ° (рисунок выше-a) и 180 ° (рисунок e). Когда векторы поворачиваются на 90 ° и -90 °, они отменяются на рисунке c. При 45 ° и -45 ° (рисунок b) они частично складываются по оси + x и сокращаются по оси y. Аналогичная ситуация существует на рисунке d.Сумма этих двух векторов — это вектор, стационарный в пространстве, но чередующийся во времени. Таким образом, пусковой крутящий момент не создается.

Однако, если ротор вращается вперед со скоростью немного меньшей, чем синхронная скорость, он будет развивать максимальный крутящий момент при 10% скольжении относительно вектора прямого вращения. Меньший крутящий момент будет развиваться выше или ниже 10% скольжения. Ротор будет испытывать скольжение на 200–10% относительно вектора магнитного поля, вращающегося в противоположных направлениях. Небольшой крутящий момент (см. Кривую зависимости крутящего момента от скольжения), за исключением двукратной пульсации частоты, создается вектором встречного вращения.Таким образом, однофазная катушка будет развивать крутящий момент после запуска ротора. Если ротор запускается в обратном направлении, он будет развивать такой же большой крутящий момент, поскольку он приближается к скорости вращающегося в обратном направлении вектора.

Однофазные асинхронные двигатели имеют медную или алюминиевую короткозамкнутую клетку, встроенную в цилиндр из стальных пластин, типичных для многофазных асинхронных двигателей.

Двигатель с постоянным разделением конденсаторов

Одним из способов решения проблемы с однофазным двигателем является создание двухфазного двигателя, получающего двухфазное питание от однофазного.Для этого требуется двигатель с двумя обмотками, разнесенными друг от друга на 90, °, , электрический, питаемый двумя фазами тока, смещенными во времени на 90, °, . Это называется конденсаторным двигателем с постоянным разделением.

Этот тип двигателя подвержен увеличению величины тока и сдвигу во времени назад, когда двигатель набирает скорость, с пульсациями крутящего момента на полной скорости. Решение состоит в том, чтобы конденсатор (импеданс) оставался небольшим, чтобы минимизировать потери.Потери меньше, чем у двигателя с экранированными полюсами. Эта конфигурация двигателя хорошо работает до 1/4 лошадиных сил (200 Вт), хотя обычно применяется к двигателям меньшего размера. Направление двигателя легко изменить, включив конденсатор последовательно с другой обмоткой. Этот тип двигателя может быть адаптирован для использования в качестве серводвигателя, описанного в другом месте этой главы.

Однофазные асинхронные двигатели могут иметь катушки, встроенные в статор для двигателей большего размера.Тем не менее, меньшие размеры требуют менее сложных для создания концентрированных обмоток с выступающими полюсами.

Асинхронный двигатель с конденсаторным пуском

На рисунке ниже конденсатор большего размера может использоваться для запуска однофазного асинхронного двигателя через вспомогательную обмотку, если он отключается центробежным переключателем, когда двигатель набирает обороты. Кроме того, во вспомогательной обмотке может быть намного больше витков из более тяжелого провода, чем в двигателе с разделенной фазой сопротивления, чтобы уменьшить чрезмерное повышение температуры.В результате для таких тяжелых нагрузок, как компрессоры кондиционеров, доступен больший пусковой крутящий момент. Эта конфигурация двигателя работает настолько хорошо, что доступна в многомощных (несколько киловаттных) размерах.

Конденсаторный асинхронный двигатель

Вариант двигателя с конденсаторным пуском (рисунок ниже) заключается в запуске двигателя с относительно большим конденсатором для высокого пускового момента, но после запуска оставляют конденсатор меньшей емкости на месте, чтобы улучшить рабочие характеристики, не потребляя при этом чрезмерного тока.Дополнительная сложность конденсаторного двигателя оправдана для двигателей большего размера.

Пусковой конденсатор двигателя может быть неполярным электролитическим конденсатором с двойным анодом, который может представлять собой два последовательно соединенных поляризованных электролитических конденсатора + к + (или — к -). Такие электролитические конденсаторы переменного тока имеют такие высокие потери, что их можно использовать только в прерывистом режиме (1 секунда во включенном состоянии, 60 секунд в выключенном состоянии), например, при запуске двигателя. Конденсатор для работы двигателя должен иметь не электролитическую конструкцию, а полимерный конденсатор с более низкими потерями.

Асинхронный двигатель с двухфазным электродвигателем с сопротивлением

Если во вспомогательной обмотке гораздо меньше витков, меньший провод размещен под углом 90 ° к основной обмотке, он может запустить однофазный асинхронный двигатель. При более низкой индуктивности и более высоком сопротивлении ток будет испытывать меньший фазовый сдвиг, чем основная обмотка. Может быть получено около 30 ° разности фаз. Эта катушка создает умеренный пусковой крутящий момент, который отключается центробежным переключателем на 3/4 синхронной скорости.Эта простая (без конденсатора) конструкция хорошо подходит для двигателей мощностью до 1/3 лошадиных сил (250 Вт), управляющих легко запускаемыми нагрузками.

Этот двигатель имеет больший пусковой крутящий момент, чем двигатель с экранированными полюсами (следующий раздел), но не такой большой, как двухфазный двигатель, построенный из тех же частей. Плотность тока во вспомогательной обмотке во время пуска настолько высока, что последующий быстрый рост температуры исключает частый перезапуск или медленные пусковые нагрузки.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА предложил корректор коэффициента мощности для повышения эффективности асинхронных двигателей переменного тока в середине 1970-х годов. Он основан на предположении, что асинхронные двигатели неэффективны при нагрузке ниже полной. Эта неэффективность коррелирует с низким коэффициентом мощности. Коэффициент мощности меньше единицы возникает из-за тока намагничивания, необходимого для статора. Этот фиксированный ток составляет большую долю от общего тока двигателя при уменьшении нагрузки двигателя.При небольшой нагрузке полный ток намагничивания не требуется. Его можно уменьшить, уменьшив подаваемое напряжение, улучшив коэффициент мощности и эффективность. Корректор коэффициента мощности определяет коэффициент мощности и снижает напряжение двигателя, тем самым восстанавливая более высокий коэффициент мощности и уменьшая потери.

Поскольку однофазные двигатели примерно в 2–4 раза менее эффективны, чем трехфазные двигатели, существует потенциальная экономия энергии для двигателей 1-φ. Для полностью нагруженного двигателя нет экономии, поскольку требуется весь ток намагничивания статора.Напряжение не может быть уменьшено. Но есть потенциальная экономия от менее чем полностью загруженного двигателя. Двигатель с номинальным напряжением 117 В переменного тока рассчитан на работу при напряжении от 127 В переменного тока до 104 В переменного тока. Это означает, что он не полностью загружен при работе при напряжении более 104 В переменного тока, например, при работе холодильника на 117 В переменного тока. Контроллер коэффициента мощности может безопасно снизить сетевое напряжение до 104–110 В переменного тока. Чем выше начальное напряжение в сети, тем больше потенциальная экономия. Конечно, если энергокомпания подаст напряжение ближе к 110 В переменного тока, двигатель будет работать более эффективно без каких-либо дополнительных устройств.

Любой практически неработающий однофазный асинхронный двигатель с 25% FLC или менее является кандидатом на использование PFC. Однако он должен работать большое количество часов в год. И чем больше времени он простаивает, как в пилораме, штамповочном прессе или конвейере, тем выше вероятность оплаты контроллера через несколько лет эксплуатации. За него должно быть втрое легче платить по сравнению с более эффективным 3-φ-двигателем. Стоимость PFC не может быть возмещена для двигателя, работающего всего несколько часов в день.

Резюме: Однофазные асинхронные двигатели

Характеристика крутящего момента машины или механизма, заданная соотношением ω = f (T _L ), определяется как соотношение между скоростью, с которой он работает, и моментом сопротивления или нагрузки, который он развивает.

Различные виды механизмов и машин обладают разными скоростно-крутящими характеристиками. Однако можно сделать несколько общих выводов, если использовать следующее эмпирическое уравнение для скоростно-крутящей характеристики некоторой приводной единицы промышленного оборудования —

T _L = T ₀ + (T _rn -T ₀ ) (ω / ω _n ) ^x … (1,3)

, где T _L — крутящий момент полной нагрузки (или сопротивления), развиваемый устройством при скорости ω, to, T ₀ — крутящий момент сопротивления, развиваемый устройством из-за трения в его движущихся частях, T _rn — момент сопротивления, развиваемый блоком, когда он приводится в движение с его номинальной номинальной скоростью ω _n , а x — экспоненциальный коэффициент, характеризующий изменение момента покоя с изменением скорости.

Уравнение выше. (1.3) позволяет условно разделить скоростные характеристики различных видов машин и механизмов на следующие категории:

и. Нагрузки, требующие постоянного крутящего момента на всех скоростях:

Такая нагрузка представляет двигателю пассивный крутящий момент, который практически не зависит от скорости. Он также характеризуется потребностью в дополнительном крутящем моменте при очень близкой к нулевой скорости. Для этой характеристики x = 0 и момент нагрузки T _L не зависит от скорости.Моментная характеристика для таких нагрузок показана вертикальной линией на рис. 1.4. К таким нагрузкам относятся сухое трение, краны во время подъема, подъемные лебедки, механизм подачи станков, поршневые насосы, работающие при постоянном напоре, и конвейеры, обрабатывающие постоянный вес материала в единицу времени. В силовых приложениях это обычно называется моментом отрыва, а в системах управления — трением (происходящим от трения прилипания).

Поскольку он меняет знак при реверсировании вращения, характеристика момента сухого трения является прерывистой, как показано на рис.1.4.

ii. Нагрузки с линейно-восходящей характеристикой:

Такие характеристики скорость-крутящий момент, показанные прямой линией II на рис. 1.4, демонстрируются календарными машинами, вихретоковыми тормозами, генераторами постоянного тока с независимым возбуждением, обеспечивающими нагрузки с фиксированным омическим сопротивлением и жидкостное или вязкое трение. В этом случае x = 1 и момент нагрузки T _L возрастает прямо пропорционально скорости.

iii. Нагрузки с нелинейно-восходящей (параболической) характеристикой:

Для такой характеристики x = 2 и момент нагрузки T _L пропорционален квадрату скорости.Такая характеристика иллюстрируется кривой III на рис. 1.4. Нагрузка со значительной парусностью, крайним примером которой является вентилятор, имеет крутящий момент, который изменяется почти пропорционально квадрату скорости. Воздуходувки, центробежные насосы, гребные винты на кораблях или самолетах, водяные колеса, трение труб, скоростной напор насосов и т. Д. Также имеют такие же характеристики скорости-момента.

iv. Нагрузки с нелинейно падающей (гиперболической) характеристикой (или нагрузка с постоянной мощностью):

Для такой характеристики x = — 1 и момент нагрузки T _L обратно пропорционален скорости, в то время как мощность, необходимая для привода данного агрегата, остается неизменной.Такая характеристика иллюстрируется кривой IV на рис. 1.4. Под эту категорию нагрузок подпадают некоторые типы токарных, расточных, фрезерных и других видов металлорежущих станков, моталок сталелитейных заводов.

Перечисленные выше категории нагрузок не охватывают все случаи, которые могут встречаться на практике, но дают хорошее представление о характеристиках, типичных для многих видов промышленного оборудования. На практике мы можем встретить нагрузки, которые представляют собой комбинацию этих основных типов нагрузок.

Возможно, изменение момента нагрузки во времени имеет такое же или большее значение при выборе двигателя. Это изменение в некоторых приложениях может быть периодическим и повторяющимся, причем один цикл изменения называется рабочим циклом.

Различные типы нагрузок с точки зрения характеристик момента нагрузки можно классифицировать следующим образом:

(i) Непрерывные, постоянные нагрузки, такие как бумагоделательные машины, центробежные насосы или вентиляторы, длительное время работающие в одних и тех же условиях.

(ii) Непрерывные переменные нагрузки, такие как подъемные лебедки, токарные станки по металлу, конвейеры и т. Д.

(iii) Пульсирующие нагрузки, такие как поршневые насосы и ткацкие станки, и вообще все машины, имеющие коленчатый вал.

(iv) Ударная нагрузка, такая как прокатные станы, ножницы, прессы, кузнечные молотки и т. Д. При таких нагрузках возникают явные, регулярные и повторяющиеся пики или импульсы нагрузки.

(v) кратковременные нагрузки, такие как мотор-генераторные установки для зарядки аккумуляторов; серводвигатели используются для дистанционного управления зажимными стержнями сверлильных станков.

(vi) Кратковременные прерывистые нагрузки, такие как краны и подъемные механизмы, экскаваторы, роликовые поезда и т. Д.

Некоторые машины (например, шаровые мельницы) строго не относятся ни к одной из упомянутых выше категорий. Если бы такие нагрузки (шаровые мельницы, камнедробилки и т. Д.) Характеризовались частыми ударами сравнительно небольших пиков, было бы более целесообразно отнести их к категории непрерывных переменных нагрузок, а не ударных нагрузок. Иногда бывает довольно сложно провести различие между пульсирующими нагрузками и ударными нагрузками, поскольку обе они имеют периодический характер.

Один и тот же привод может быть представлен моментом нагрузки, который изменяется либо со скоростью, либо со временем. Наиболее подходящим примером является нагрузка вентилятора, момент нагрузки которой T _L пропорционален квадрату скорости, также является непрерывной постоянной нагрузкой.

Во всех машинах с коленчатыми валами, таких как поршневые насосы и компрессоры, рамные пилы и т. Д., Крутящий момент нагрузки изменяется в зависимости от углового смещения вала или ротора двигателя.Для всех таких машин крутящий момент нагрузки T _L может быть разделен на две составляющие: одна имеет постоянную величину T _av , а другая — переменную T _L ‘, которая периодически изменяется по величине в зависимости от углового положения вала. . Такие характеристики момента нагрузки для простоты можно представить в виде ряда Фурье в виде суммы колебаний основной и гармонической частот, т. Е.

Где θ = ωt, ω — угловая скорость вала двигателя, приводящего в действие компрессор.

Во время изменения скорости возникают только небольшие отклонения от фиксированного значения скорости ω _a , поэтому смещение может быть представлено как θ = (ω _a + Δω) t. Таким образом, переменная часть крутящего момента нагрузки может быть задана как —

Членом rΔωt, имеющим очень малую величину, можно пренебречь. Таким образом, ограничиваясь небольшими отклонениями по углу от положения равновесия, крутящий момент нагрузки, изменяющийся с угловым смещением вала, может быть преобразован в крутящий момент, который периодически изменяется w.r.t. время.

В Статье 1.9.1. учитывались моменты нагрузки, изменяющиеся со скоростью. Однако моменты нагрузки, зависящие не только от скорости, но и от характера пути, проходимого грузом во время его движения, действительно существуют как в подъемных механизмах, так и в транспортных системах. Например, сопротивление движению поезда, движущегося вверх по градиенту или выполняющего поворот, зависит от величины уклона или радиуса кривизны пути соответственно.

Сила из-за наклона задается как —

F _г = 1000 Вт sin θ кг. … (1,6)

Где, W — масса поезда в тоннах.

Но на железнодорожных работах уклон выражается как подъем в метрах на расстоянии 100 м пути и обозначается «процентным уклоном» (G%)

т.е. G = Sin θ x 100

или sin θ = G / 100

Подставляя sin θ = G / 100 в уравнение. (1.6) имеем —

F _г = 1000 Вт × Г / 100 = 10 ВтГ кг.… (1,7)

Сила тяги, необходимая для преодоления сопротивления кривизне, определяется по эмпирической формуле, приведенной ниже —

F _c = 700,000 Вт / об, кг… (1,8)

Где, R — радиус кривизны в метрах.

В подъемных механизмах, в которых не используются хвостовые или балансировочные тросы (рис. 1.7), момент нагрузки возникает не только из-за веса ненагруженной или загруженной кабины, но также из-за веса подъемных канатов или тросов, которые зависит от положения двух клеток.Когда клетка 1 находится в самом нижнем положении и ее нужно поднять вверх, весь вес веревки также должен быть перемещен вверх.

Когда обе клетки находятся на одинаковой высоте, вес поднимаемой веревки становится равным нулю, поскольку вес веревок с обеих сторон уравновешивает друг друга, будучи равной по длине. Когда клетка 1 находится в более высоком положении, чем клетка 2, часть веса веревки действует таким образом, чтобы способствовать движению клетки 1 вверх. В конечном итоге, когда клетка 1 достигает самого верхнего положения, весь вес каната веревка помогает движению вверх.

Сила, препятствующая движению груза вверх, F _r из-за переменного веса каната в зависимости от положения груза, определяется как —

Где W _r — общий вес веревки в кг, h — желаемая максимальная высота, на которую клетка должна быть перемещена вверх, в метрах, а x — высота клетки в любом произвольном положении снизу. максимальная позиция в метрах.

При больших значениях h сила F _r в значительной степени влияет на характеристики привода, используемого в подъемных механизмах, поскольку в такой ситуации вес каната может быть значительно больше, чем вес поднимаемого груза. вверх.Если мы используем хвостовые тросы, как показано пунктирными линиями на рис. 1.7, вес соединительного троса можно уравновесить, и можно добиться почти плавного движения клеток.

5. Скоростные характеристики электродвигателя:

Характеристика крутящего момента двигателя определяется как соотношение между скоростью, с которой он работает, и крутящим моментом, который он развивает, то есть ω = f (T).

Практически все электродвигатели — с параллельной обмоткой, с последовательной обмоткой, комбинированные электродвигатели постоянного тока, асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором и контактным кольцом, а также электродвигатели с коммутатором переменного тока имеют падающие характеристики скорости-момента, т.е.е., их скорость падает с увеличением момента нагрузки. Однако степень изменения скорости с изменением крутящего момента различается для различных типов двигателей и характеризуется так называемой жесткостью их скоростно-крутящих характеристик.

Моментные характеристики электродвигателя можно разделить на три основные группы:

1. Абсолютно жесткая (плоская) характеристика крутящего момента:

Характеристика, показывающая отсутствие изменения скорости при изменении момента нагрузки.Синхронные двигатели работают с такой характеристикой (горизонтальная прямая I на рис. 1.8).

2. Характеристики жесткого крутящего момента:

Характеристика, показывающая скорость, которая лишь незначительно падает с увеличением крутящего момента. Жесткая характеристика демонстрирует двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой, это также верно для асинхронных двигателей в рабочем диапазоне характеристики скорость-момент (кривая II на рис. 1.8).

Характеристика скорости-момента асинхронного двигателя демонстрирует «жесткость», которая различается в зависимости от того, какая точка характеристики учитывается (рис.1.9). Между точками максимального крутящего момента при работе двигателя T _{max M} и максимального крутящего момента при работе генератора T _{max G} асинхронная машина будет демонстрировать довольно жесткую характеристику.

3. Характеристика плавной скорости:

Характеристика, показывающая значительное падение скорости с увеличением крутящего момента. Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением обладает такой характеристикой, особенно на участке характеристики с низким крутящим моментом (кривая III на рис.1.8). Для таких двигателей степень жесткости характеристики изменяется по всей кривой.

Двигатели постоянного тока с комбинированной обмоткой, в зависимости от степени жесткости, отображаемой на их скоростно-крутящих характеристиках, могут рассматриваться как двигатели с жесткими или мягкими характеристиками.

6. Совместная скоростная характеристика электродвигателя:

Совместная работа электродвигателя и приводимого им блока, когда скорость имеет постоянное значение, соответствует условию баланса между приводным моментом двигателя и моментом сопротивления, развиваемым ведомым блоком при заданной скорости.Когда крутящий момент сопротивления или нагрузки, развиваемый на валу двигателя ведомым устройством, претерпевает некоторое изменение, скорость и крутящий момент, развиваемые двигателем, изменятся автоматически, чтобы восстановить стабильную работу при новом значении скорости и момента нагрузки.

В случае неэлектрических первичных двигателей (водяная турбина, паровая турбина или дизельный / бензиновый двигатель) баланс между крутящим моментом сопротивления и крутящим моментом достигается за счет использования регулятора соответствующего типа для управления притоком энергии в первичный двигатель посредством увеличение или уменьшение расхода воды, пара или топлива.В электродвигателях роль регулятора автоматики выполняет ЭДС двигателя. Эта способность электродвигателей поддерживать баланс системы привода при изменении крутящего момента сопротивления (нагрузки), развиваемого ведомым устройством, чрезвычайно ценно, поскольку этот крутящий момент очень часто в определенной степени нестабилен.

Это можно проиллюстрировать с помощью рис. 1.10, который иллюстрирует характеристику скорость-крутящий момент (кривая III) параллельного двигателя постоянного тока и две характеристики I и II производственной установки, приводимой в движение двигателем (например, конвейера). .

Характеристика I соответствует состоянию холостого хода конвейерной установки, в то время как характеристика II соответствует большему уровню момента нагрузки, развиваемому конвейером, когда он обрабатывает требуемый поток материала. Первоначально, когда конвейер работает без нагрузки, крутящий момент двигателя T = T, и двигатель работает со скоростью ω ₁ . Как только конвейер начинает поддерживать поток материала, увеличение нагрузки на двигатель тормозит двигатель и снижает его скорость.Это заставляет двигатель развивать меньшую ЭДС.

Следовательно, ток якоря увеличивается, и двигатель начинает развивать больший крутящий момент. Крутящий момент двигателя увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута точка баланса, в которой крутящий момент, развиваемый двигателем, равен моменту сопротивления ведомого блока, то есть T = T ₂ (где скорость равна ω ₂ ). Эта новая точка также является общей как для характеристики II скорость-момент конвейера, так и для характеристики III скорости-момента двигателя.

При изучении работы двигателя и приводимого им агрегата иногда удобно использовать так называемую совместную характеристику крутящего момента электропривода, кривую, представляющую алгебраическую сумму характеристики крутящего момента и скорости привода. ведомый блок и приводной двигатель.

Характеристики скорости-момента вентилятора и приводного двигателя, а также совместная характеристика крутящего момента двигателя-вентилятора представлены кривыми I, II и III соответственно на рис.1.11.

Когда агрегат достигает постоянной скорости ω _s , двигатель работает с крутящим моментом T = момент нагрузки, T _L . В таких условиях крутящий момент, указанный на характеристике соединения, будет равен нулю. В этом случае работа агрегата на постоянной скорости ω _s будет стабильной, поскольку любое увеличение скорости приводит к отрицательному изменению (падению) крутящего момента, а любое снижение скорости приводит к положительному изменению (увеличению). в крутящем моменте.

Кривая III, таким образом, является примером совместной характеристики крутящего момента и скорости привода, который сможет работать стабильно.Если бы характеристика соединения имела форму кривой IV, работа не была бы стабильной, поскольку небольшое увеличение скорости приводит к ускорению, поскольку крутящий момент двигателя превышает крутящий момент нагрузки. С другой стороны, небольшое снижение скорости приводит к замедлению, поскольку крутящий момент двигателя становится меньше крутящего момента нагрузки.

Условия работы привода в установившемся режиме, описанные выше, представляют собой условия, необходимые для статической устойчивости привода, и применимы только тогда, когда скорость и крутящий момент меняются медленно.В периоды кратковременных (быстрых) изменений, связанных с динамической устойчивостью, условия устойчивости привода будут другими.

Обычно, когда электропривод рассчитан на конкретный привод, его скоростно-моментная характеристика известна заранее. Таким образом, проблема достижения стабильной работы в установившемся режиме при известных скоростях и моментах нагрузки ведомого агрегата состоит в выборе двигателя, характеристика скорости-момента которого будет совместима с характеристикой ведомого агрегата.

Этого можно достичь, сначала выбрав подходящий тип двигателя, а затем соответствующим образом изменив электрические параметры его цепей. Иногда для обеспечения требуемых скоростно-моментных характеристик становится необходимым создание специальных силовых и управляющих цепей для задействованного переключения приводного двигателя и аппаратуры управления.

При поступательном движении активная или движущая сила F _d уравновешивается силой сопротивления F _r , создаваемой ведомой машиной, и силой инерции m dv / dt, возникающей в результате изменения скорости.Когда вовлеченное тело имеет массу m, выраженную в кг, и скорость v, выраженную в м / с, сила инерции, как и другие силы, будет выражаться в ньютонах (кг-м / с ² ).

Соответственно, уравнение равновесия сил при перемещении тела можно записать в следующей форме:

Уравнение равновесия крутящего момента при перемещении тела, соответственно, может быть записано в следующей форме:

Вышеупомянутое уравнение. (1.11) показывает, что крутящий момент T _M , развиваемый двигателем, уравновешивается моментом сопротивления или нагрузкой T _L , приложенным к его валу, и инерционным или динамическим крутящим моментом J (dω / dt). В приведенных выше уравнениях. В формулах (1.10) и (1.11) предполагается, что масса m задействованных тел и полярный момент инерции J привода остаются постоянными, предположение, которое справедливо для большого количества промышленных машин и механизмов. В некоторых приводах возникает необходимость иметь дело с переменным полярным моментом инерции, как в случае кривошипных приводов.

Из анализа уравнения. (1.11) можно определить различные состояния, в которых может оставаться электропривод, вызывающий вращение двигателя:

1. Когда T _M > T _L , dω / dt> 0, т.е. привод будет испытывать ускорение, в частности, набирая скорость для достижения номинальной скорости.

2. Когда T _M L , dω / dt <0, т.е. привод будет замедляться и, в частности, останавливаться.Очевидно, что замедление будет происходить и при отрицательных значениях крутящего момента двигателя. Двигатель развивает отрицательный крутящий момент, когда он переходит в режим торможения.

3. Когда T _M = T _L , dω / dt = 0, т.е. привод будет работать с постоянной скоростью.

Приведенные выше утверждения, а именно, что когда T _M > T _L привод ускоряется, и что когда T _M L привод замедляется, действительны только при нагрузке или ограничивающем моменте T _L . быть пассивным крутящим моментом.Обратное может произойти при нагрузках с активным крутящим моментом. Например, если для подъема лебедки включен двигатель, который опускается под собственным весом, до изменения направления вращения происходит замедление привода, когда T _M > T _L . В случае, если T _M L в описанной выше ситуации, когда двигатель был включен для перемещения лебедки вверх, нагрузка будет продолжать снижаться, и двигатель будет ускоряться, а не замедляться.

Момент инерции или динамический крутящий момент J (dω / dt) появляется только в переходных условиях, то есть при изменении скорости привода. Во время ускорения привода момент инерции противодействует движению привода, но во время торможения он поддерживает движение привода. Момент инерции, как по величине, так и по знаку, определяется как алгебраическая сумма крутящего момента двигателя и момента сопротивления и нагрузки.

С учетом вышеизложенного, знаки для T _M и T _L в формуле.(1.11), соответствующие двигательному режиму ведущей машины и пассивному нагрузочному моменту (или активному тормозному моменту) соответственно. В общем виде уравнение крутящего момента можно записать как —

Выбор знака, который будет помещен перед каждым крутящим моментом в приведенном выше уравнении. (1.12) зависит от условий эксплуатации и от характера момента сопротивления или нагрузки. Уравнение движения для привода позволяет определить зависимость крутящего момента, тока, скорости и пути от времени работы в переходных условиях.Все крутящие моменты в уравнении движения должны относиться к некоторому заданному элементу системы. Чаще всего и крутящий момент нагрузки, и динамический крутящий момент относятся к валу двигателя.

Пример:

Двигатель подключен к нагрузке, имеющей следующие характеристики:

и. Двигатель: T _м = 15 — 0,5ω _м

ii. Нагрузка: T _l = 0,5ω ² _м

Определите стабильную рабочую точку для этой комбинации.

Решение:

Стабильная работа будет достигнута при-

T _м = T _л

или 15 — 0,5ω _м = 0,5ω _м ²

или ω _м ² + ω _м -30 = 0

или ω _м = 5 или -6

Без минусовой цифры имеем —

ω _м = 5 и T = 12,5

Таким образом, стабильная рабочая точка (12.5, 5) Отв.

Двигатель обычно приводит в движение промышленную машину через некую систему трансмиссии, отдельные части которой работают с разными скоростями. При проведении практических расчетов возникает необходимость привязать крутящие моменты и массы отдельных деталей к какому-нибудь удобному элементу, например, к определенному валу.

Моменты нагрузки могут передаваться от одного вала к другому на основе баланса мощности системы.В этом случае учитываются потери мощности в промежуточных звеньях трансмиссии путем введения соответствующих значений КПД.

Пусть частота вращения вала двигателя ω _M , а частота вращения вала данной промышленной машины ω _L .

Исходя из равенства потоков мощности, имеем —

или момент нагрузки относительно вала двигателя,

, где T _L — крутящий момент нагрузки, η _T — коэффициент полезного действия трансмиссии, а i — передаточное отношение скорости, равное ω _M / ω _L .

Когда существует несколько ступеней трансмиссии между приводным двигателем и ведомой машиной, как схематично показано на рис. 1.12, с передаточными числами i ₁ , i ₂ ,…, i _n и соответствующими коэффициентами полезного действия трансмиссии η _T1 , η _T2 …, η _Tn , момент нагрузки, относящийся к валу двигателя, задается как —

Моменты инерции относятся к данному валу на основании того, что общее количество кинетической энергии, накопленной в движущихся частях и относящееся к данному валу, остается неизменным.С вращающимися частями, имеющими полярные моменты инерции J _M , J ₁ , J ₂ ,…, J _n и угловые скорости ω _M , ω ₁ , ω ₂ , … Ω _n (рис. 1.12), их динамическое действие может быть заменено действием одного полярного момента инерции, относящегося, например, к валу двигателя, и мы можем записать следующие уравнения:

Пример:

Двигатель передает вращательную нагрузку через редуктор с передаточным отношением зубьев a = 0.1 и КПД 90%. Груз имеет момент инерции 10 кг-м ² и крутящий момент 50 Н-м. Двигатель имеет инерцию 0,4 кг-м ² и работает с постоянной частотой вращения 1400 об / мин. Определите эквивалентную инерцию двигателя и комбинации нагрузки со стороны двигателя и мощность, развиваемую двигателем.

Характеристики электродвигателей | Простой электродвигатель

Простой электродвигатель : В преобразователях частоты вращения в промышленности в качестве приводных двигателей используется простой электродвигатель, главным образом потому, что они обладают рядом особых преимуществ. Характеристики электродвигателей…

Торможение асинхронного двигателя : Три типа торможения асинхронного двигателя, а именно рекуперативное, динамическое и противоточное торможение, также могут выполняться с помощью асинхронных двигателей.Рекуперативное торможение Когда ротор…

Торможение синхронного двигателя : Для торможения синхронного двигателя используются следующие методы: рекуперативное торможение при работе от источника переменного тока; реостатическое торможение.

Характеристики двигателя постоянного тока : Двигатели постоянного тока относятся к типу с вращающимся якорем. Обмотка якоря представляет собой замкнутую обмотку через коммутатор.Питание якоря осуществляется через щетки…

Характеристики синхронного двигателя : Характеристики синхронного двигателя — это двигатели с постоянной скоростью. Скорость двигателя определяется числом полюсов и частотой. По сравнению с асинхронным двигателем…

Характеристики трехфазного асинхронного двигателя : Рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя могут быть получены с использованием примерной эквивалентной схемы, показанной на рис.1.20 (а). В схеме Векторная диаграмма…

Электрические тормоза двигателей постоянного тока : Электрические тормоза двигателей постоянного тока — При работе с электрическими приводами часто необходимо быстро остановить двигатель, а также реверсировать его. Характеристики электродвигателей…

Управление скоростью двигателя постоянного тока : В предыдущих разделах мы обсудили характеристики крутящего момента двигателей постоянного тока, выявив влияние на них изменения напряжения якоря и тока возбуждения.Обсуждение…

Скорость крутящего момента, характеристика параллельного двигателя постоянного тока: Предыдущее обсуждение показывает, что изменение напряжения якоря дает медленную скорость. Простой реостатический метод обеспечивает шунтирующий двигатель постоянного тока с характеристикой крутящего момента и крутящего момента с небольшим…

Характеристика крутящего момента двигателя постоянного тока с независимым возбуждением : Уравнение схемы характеристики крутящего момента двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, якорь которого состоит из Z-проводников и намотан…

Характеристики крутящего момента комбинированного двигателя постоянного тока : Схема характеристик крутящего момента комбинированного двигателя постоянного тока показана на рис.1.18. Есть как последовательные, так и шунтирующие поля (по отдельности…

Характеристики крутящего момента серийного двигателя : Обмотка возбуждения соединена последовательно с якорем (рис. 1.2 (b)). Ток якоря и ток возбуждения одинаковы. Характеристики электродвигателей…

Метод пуска асинхронного двигателя : Переходные процессы, связанные с методом пуска асинхронного двигателя в приводе с регулируемой скоростью, требуют детального изучения.Электродвигатель и подключенная нагрузка разгоняются…

Характеристики крутящего момента и скорости асинхронного двигателя : Из уравнения. 1.27 можно заметить, что максимальный крутящий момент не зависит от сопротивления ротора. Однако скольжение, при котором возникает максимальный крутящий момент…

Характеристики двигателей постоянного тока | electricaleasy.com

Характеристики двигателей постоянного тока серии

Крутящий момент vs.ток якоря (T

В двигателях серии постоянного тока (до магнитного насыщения) крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату тока якоря, эти двигатели используются там, где требуется высокий пусковой момент.

Скорость в зависимости от тока якоря (N-Ia)

При малом токе нагрузки (и, следовательно, при малом токе якоря) изменение обратной ЭДС Eb мало, и им можно пренебречь. Следовательно, при малых токах скорость обратно пропорциональна ɸ. Как известно, поток прямо пропорционален Ia, а скорость обратно пропорциональна Ia. Следовательно, когда ток якоря очень мал, скорость становится опасно высокой. Это , почему нельзя запускать серийный двигатель без некоторой механической нагрузки .

Скорость в зависимости от крутящего момента (N-Ta)

Характеристики параллельных двигателей постоянного тока

Крутящий момент vs.ток якоря (Ta-Ia)

Скорость в зависимости от тока якоря (N-Ia)

Характеристики составного двигателя постоянного тока

Характеристики крутящего момента многофазных электродвигателей ~ Изучение электротехники

Понимание взаимосвязи между нагрузкой на двигатель переменного тока и крутящим моментом, который он развивает на каждом этапе работы двигателя, имеет решающее значение для выбора правильного типа электродвигателя для правильного применения. Поэтому асинхронные двигатели разработаны с учетом характеристик крутящего момента и скорости, чтобы соответствовать требованиям обычных приложений.Четыре стандартных двигателя NEMA, A, B, C и D, имеют разные характеристики. Ниже показана типичная кривая крутящего момента / скорости для двигателя переменного тока:

Пусковой момент / Момент заторможенного ротора
Пусковой крутящий момент, также называемый крутящим моментом заторможенного ротора, — это крутящий момент, который двигатель развивает каждый раз, когда он запускается при номинальном напряжении и частоте.Это крутящий момент, возникающий при подаче питания на двигатель в состоянии покоя, то есть когда двигатель находится под напряжением при полном напряжении, а вал заблокирован на месте. Это крутящий момент, используемый для начала ускорения нагрузки. Пусковой крутящий момент указан на кривой крутящий момент / скорость, показанной выше.

Момент отрыва (PUT)
Этот термин используется для обозначения самой низкой точки кривой крутящего момента и скорости для электродвигателя, который разгоняет нагрузку до полной скорости. По мере того, как двигатель набирает скорость, крутящий момент немного уменьшается до самой низкой точки, показанной на кривой выше.Крутящий момент, доступный в этот момент, называется тяговым моментом.

Момент пробоя (BT)
Момент пробоя — это максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем переменного тока при номинальном напряжении, приложенном при номинальной частоте, без резких падений скорости. Это также известно как момент отрыва или максимальный крутящий момент.

Момент при полной нагрузке (FLT)
Крутящий момент, необходимый для выработки номинальной мощности при скорости полной нагрузки. Крутящий момент при полной нагрузке создается двигателем, работающим при номинальном напряжении, частоте и нагрузке.При крутящем моменте полной нагрузки скорость электродвигателя немного меньше синхронной скорости, как показано на кривой выше.

Как работают моторы и как выбрать мотор для любого проекта

Как работают двигатели и как выбрать правильный двигатель

Как работают моторы?

Электродвигатели имеют множество применений.Обычные промышленные применения включают воздуходувки, станки и электроинструменты, вентиляторы и насосы. Любители обычно используют двигатели в небольших приложениях, требующих движения, таких как робототехника или модули с колесами.

Типы двигателей:

Щеточные двигатели постоянного тока — одни из самых простых и используются во многих бытовых приборах, игрушках и автомобилях.Они используют контактные щетки, которые подключаются к коммутатору для изменения направления тока. Они недороги в производстве, просты в управлении и обладают отличным крутящим моментом на низких скоростях (измеряется в оборотах в минуту или об / мин). Некоторые недостатки заключаются в том, что они требуют постоянного обслуживания для замены изношенных щеток, имеют ограниченную скорость из-за нагрева щеток и могут создавать электромагнитный шум из-за искрения щеток.

Бесщеточные двигатели постоянного тока используют постоянные магниты в роторном узле.Они популярны на рынке хобби для применения в самолетах и ​​наземных транспортных средствах. Они более эффективны, требуют меньшего обслуживания, производят меньше шума и имеют более высокую удельную мощность, чем щеточные двигатели постоянного тока. Они также могут производиться серийно и напоминать двигатель переменного тока с постоянной частотой вращения, за исключением того, что они питаются от постоянного тока. Однако есть несколько недостатков, в том числе то, что ими сложно управлять без специального регулятора, и они требуют низких пусковых нагрузок и специализированных редукторов в приводных приложениях, что приводит к их более высоким капитальным затратам, сложности и экологическим ограничениям.

Вибрационные двигатели используются в приложениях, требующих вибрации, например, в мобильных телефонах или игровых контроллерах. Они генерируются электродвигателем и имеют несбалансированную массу на приводном валу, которая вызывает вибрацию. Их также можно использовать в неэлектронных зуммерах, которые вибрируют для звуковой сигнализации или для сигналов тревоги или дверных звонков.

Когда требуется точное позиционирование, шаговые двигатели — ваш друг.Они используются в принтерах, станках и системах управления технологическими процессами и рассчитаны на высокий удерживающий момент, что дает пользователю возможность переходить от одного шага к другому. У них есть система контроллера, которая определяет положение посредством сигнальных импульсов, отправляемых драйверу, который интерпретирует их и передает пропорциональное напряжение на двигатель. Их относительно просто изготовить и контролировать, но они постоянно потребляют максимальный ток. Расстояние небольшого шага ограничивает максимальную скорость, и шаги можно пропустить при высоких нагрузках.

Серводвигатели — еще один популярный двигатель на рынке хобби, который используется для неточного управления положением. Их популярные приложения включают приложения дистанционного управления, такие как игрушечные радиоуправляемые автомобили и робототехника. Они состоят из двигателя, потенциометра и схемы управления и в основном управляются с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), посредством отправки электрических импульсов на провод управления. Сервоприводы могут быть как переменного, так и постоянного тока. Сервоприводы переменного тока могут справляться с более высокими скачками тока и используются в промышленном оборудовании, тогда как сервоприводы постоянного тока предназначены для небольших любительских приложений.Чтобы узнать больше о сервомоторах, ознакомьтесь с нашей статьей How Servo Motors Work .

Существует три основных типа двигателей переменного тока: асинхронные, синхронные и промышленные.
Асинхронные двигатели называются асинхронными двигателями, поскольку они не вращаются с одинаковой постоянной скоростью или не медленнее, чем указанная частота. Скольжение , разница между фактической и синхронной скоростью, необходима для создания крутящего момента , крутящего момента, вызывающего вращение, в асинхронных двигателях.Магнитное поле, окружающее ротор этих двигателей, создается индуцированным током.

Ротор синхронных двигателей вращается с постоянной скоростью при подаче переменного тока. Их магнитное поле создается постоянными магнитами. Промышленные двигатели предназначены для трехфазных систем с высокой мощностью, таких как конвейеры или воздуходувки. Двигатели переменного тока также можно найти в бытовой технике и других приложениях, таких как часы, вентиляторы и дисководы.

Что учитывать при покупке мотора:

Ток — это то, что питает двигатель, и слишком большой ток приведет к его повреждению. Для двигателей постоянного тока важны рабочий ток и ток останова. Рабочий ток — это средняя величина тока, которую двигатель может потреблять при типичном крутящем моменте. Ток останова обеспечивает достаточный крутящий момент для двигателя, чтобы работать со скоростью останова, или 0 об / мин. Это максимальный ток, который двигатель может потреблять, а также максимальная мощность, умноженная на номинальное напряжение. Радиаторы важны, если двигатель постоянно работает или работает с напряжением выше номинального, чтобы катушки не плавились.

Напряжение используется для поддержания протекания чистого тока в одном направлении и для преодоления обратного тока. Чем выше напряжение, тем выше крутящий момент. Номинальное напряжение двигателя постоянного тока указывает на наиболее эффективное напряжение во время работы. Обязательно подайте рекомендованное напряжение. Если вы подадите слишком мало вольт, двигатель не будет работать, а слишком высокое напряжение может привести к короткому замыканию обмоток, что приведет к потере мощности или полному разрушению.

Рабочие значения и значения остановки также необходимо учитывать с крутящим моментом.Рабочий крутящий момент — это величина крутящего момента, которую двигатель был разработан, а крутящий момент при остановке — это величина крутящего момента, возникающая при подаче мощности от скорости остановки. Вы всегда должны смотреть на требуемый рабочий крутящий момент, но в некоторых случаях вам потребуется знать, насколько далеко вы можете толкнуть двигатель. Например, для колесного робота хороший крутящий момент равен хорошему ускорению, но вы должны убедиться, что крутящий момент сваливания достаточно высок, чтобы поднять вес робота. В этом случае крутящий момент важнее скорости.

Скорость или скорость (об / мин) может быть сложной для двигателей. Общее правило состоит в том, что двигатели наиболее эффективно работают на самых высоких скоростях, но это не всегда возможно, если требуется передача. Добавление шестерен снизит эффективность двигателя, поэтому примите во внимание снижение скорости и крутящего момента.

Это основные принципы, которые следует учитывать при выборе двигателя. Подумайте о назначении приложения и о том, какой ток он использует, чтобы выбрать подходящий тип двигателя. Технические характеристики приложения, такие как напряжение, ток, крутящий момент и скорость, будут определять, какой двигатель является наиболее подходящим, поэтому обязательно обратите внимание на его требования.

Есть ли у вас дополнительные советы по выбору двигателей? Дайте нам знать по телефону [адрес электронной почты защищен] .

Двигатели переменного тока | Принцип работы | Ресурсы для инженеров

Универсальные моторы

Универсальный двигатель — это однофазный последовательный двигатель, который может работать как на переменном (ac), так и на постоянном (dc) токе, и характеристики одинаковы как для переменного, так и для постоянного тока. Обмотки возбуждения последовательных двигателей соединены последовательно с обмотками якоря

Областями электрического проектирования универсального двигателя являются магнитная цепь, обмотки возбуждения и якоря, коммутатор и щетки, изоляция и система охлаждения.

Двигатели с экранированными полюсами

Двигатель с экранированными полюсами — это однофазный асинхронный двигатель переменного тока. Вспомогательная обмотка, состоящая из медного кольца, называется затеняющей катушкой. Ток в этой катушке задерживает фазу магнитного потока в этой части полюса, чтобы обеспечить вращающееся магнитное поле. Направление вращения — от незатененной стороны к закрашенному кольцу.

• Это устройство затеняющих катушек (кольцо) смещает ось затененных полюсов от оси основных полюсов
• Когда питание подается на статор, магнитный поток в основной части полюса индуцирует напряжение в затеняющей катушке, которая действует как вторичная обмотка трансформатора.
• Так как ток во вторичной обмотке трансформатора не совпадает по фазе с током в первичной обмотке.
• Ток в затеняющей катушке не в фазе с током в основной обмотке возбуждения.
• Таким образом, поток затеняющего полюса не совпадает по фазе с потоком основного полюса.

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели переменного тока — это электродвигатели с постоянной скоростью, которые работают синхронно с частотой сети. Скорость синхронного двигателя определяется количеством пар полюсов и всегда является отношением частоты сети.

• Статор снабжен двумя простыми катушками, которые можно напрямую подключить к сети.
• Ротор состоит из цилиндрического постоянного двухполюсного магнита, диаметрально намагниченного.