Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как подключить асинхронный двигатель в режиме генератора


Асинхронный двигатель как генератор - суть процесса, его плюсы и минусы

В электротехнике существует так называемый принцип обратимости: любое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может делать и обратную работу. На нем основан принцип действия электрических генераторов, вращение роторов которых вызывает появление электрического тока в обмотках статора.

Теоретически можно переделать и использовать любой асинхронный двигатель в качестве генератора, но для этого надо, во-первых, понять физический принцип, а во-вторых, создать условия, обеспечивающие это превращение.

Вращающееся магнитное поле – основа схемы генератора из асинхронного двигателя

В электрической машине, изначально создающейся как генератор, существуют две активные обмотки: возбуждения, размещенная на якоре, и статорная, в которой и возникает электрический ток. Принцип её работы основан на эффекте электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле порождает в обмотке, которая находится под его воздействием, электрический ток.

Магнитное поле возникает в обмотке якоря от напряжения, обычно подаваемого с аккумулятора, ну а его вращение обеспечивает любое физическое устройство, хотя бы и ваша личная мускульная сила.

Конструкция электродвигателя с короткозамкнутым ротором (это 90 процентов всех исполнительных электрических машин) не предусматривает возможности подачи питающего напряжения на обмотку якоря. Поэтому, сколько бы вы ни вращали вал двигателя, на его питающих клеммах электрического тока не возникнет.
Тем, кто хочет заняться переделкой асинхронного двигателя в генератор, надо создавать вращающееся магнитное поле самостоятельно.

Создаем предусловия для переделки

Двигатели, работающие от переменного тока, называют асинхронными. Все потому, что вращающееся магнитное поле статора чуть опережает скорость вращения ротора, оно как бы тянет его за собой.

Используя тот же принцип обратимости, приходим к выводу, что для начала генерации электрического тока вращающееся магнитное поле статора должно отставать от ротора или даже быть противоположным по направлению. Создать вращающееся магнитное поле, которое отстает от вращения ротора или противоположно ему, можно двумя способами.

Затормозить его реактивной нагрузкой. Для этого в цепь питания электродвигателя, работающего в обычном режиме (не генерации), надо включить, например, мощную конденсаторную батарею. Она способна накапливать реактивную составляющую электрического тока – магнитную энергию. Этим свойством в последнее время широко пользуются те, кто хочет сэкономить киловатт-часы.

Если быть точным, то фактической экономии электроэнергии не происходит, просто потребитель немного обманывает электросчетчик на законной основе.
Накопленный конденсаторной батареей заряд находится в противофазе с тем, что создается питающим напряжением и «подтормаживает» его. В результате электродвигатель начинает генерировать ток и отдавать его обратно в сеть. Использование высокомощных моторов в домашних условиях при наличии исключительно однофазной сети требует определенных знаний в том, как подключить трехфазный электродвигатель в сеть 220в.

Для одновременного подключения потребителей электроэнергии к трех фазам служит специальное электромеханическое устройство — магнитный пускатель, об особенностях правильной установки которых можно прочитать здесь.

На практике этот эффект применяется в транспорте на электрической тяге. Как только электровоз, трамвай или троллейбус идут под уклон, к цепи питания тягового электродвигателя подключается конденсаторная батарея и происходит отдача электрической энергии в сеть (не верьте тем, кто утверждает, что электротранспорт дорог, он почти на 25 процентов обеспечивает энергией сам себя).

Такой способ получения электрической энергии не есть чистая генерация. Чтобы перевести работу асинхронного двигателя в режим генератора, надо использовать метод самовозбуждения.

Самовозбуждение асинхронного двигателя и переход его в режим генерации может возникнуть из-за наличия в якоре (роторе) остаточного магнитного поля. Оно очень мало, но способно породить ЭДС, заряжающее конденсатор. После возникновения эффекта самовозбуждения конденсаторная батарея подпитывается от произведенного электрического тока и процесс генерации становится непрерывным.

Секреты изготовления генератора из асинхронного двигателя

Чтобы превратить электромотор в генератор надо использовать неполярные конденсаторные батареи. Электролитические конденсаторы для этого не годятся. В трехфазных двигателях конденсаторы включаются звездой или треугольником. Соединение «звездой» позволяет начать генерацию на меньших оборотах ротора, но величина напряжения на выходе будет несколько ниже, чем при соединении «треугольником».

Также можно сделать генератор из однофазного асинхронного двигателя. Но для этого годятся лишь те, которые имеют короткозамкнутый ротор, а для запуска используют фазосдвигающий конденсатор. Коллекторные однофазные двигатели для переделки в генератор не годятся.

Рассчитать в бытовых условиях величину потребной емкости конденсаторной батареи не представляется возможным. Поэтому домашний мастер должен исходить из простого соображения: общий вес конденсаторной батареи должен быть равен или немного превышать вес самого электродвигателя.
На практике это приводит к тому, что создать достаточно мощный асинхронный генератор почти невозможно, поскольку чем меньше номинальные обороты двигателя, тем он больше весит.

Оцениваем уровень эффективности — выгодно ли это?

Как видите, заставить электродвигатель генерировать ток можно не только в теоретических измышлениях. Теперь надо разобраться, насколько оправданы усилия по «изменению пола» электрической машины.

Во многих теоретических изданиях главным преимуществом асинхронных генераторов представляют их простоту. Честно говоря, это лукавство. Устройство двигателя ничуть не проще устройства синхронного генератора. Конечно, в асинхронном генераторе нет электрической цепи возбуждения, но она заменена на конденсаторную батарею, которая сама по себе является сложным техническим устройством.

Зато конденсаторы не надо обслуживать, а энергию они получают как бы даром – сначала от остаточного магнитного поля ротора, а потом – от вырабатываемого электрического тока. Вот в этом и есть главный, да и практически единственный плюс асинхронных генераторных машин – их можно не обслуживать. Такие источники электрической энергии применяются в домашних автономных электростанциях, приводимых в действие силой ветра или падающей воды.

Еще одним преимуществом таких электрических машин является то, что генерируемый ими ток почти лишен высших гармоник. Этот эффект называется «клирфактор». Для людей далеких от теории электротехники его можно объяснить так: чем ниже клирфактор, тем меньше тратится электроэнергии на бесполезный нагрев, магнитные поля и прочее электротехническое «безобразие».

У генераторов из трехфазного асинхронного двигателя клирфактор обычно находится в пределах 2%, когда традиционные синхронные машины выдают минимум 15. Однако учет клирфактора в бытовых условиях, когда к сети подключены разные типы электроприборов (стиральные машины имеют большую индуктивную нагрузку), практически невозможен.

Все остальные свойства асинхронных генераторов являются отрицательными. К ним относится, например, практическая невозможность обеспечить номинальную промышленную частоту вырабатываемого тока. Поэтому их почти всегда сопрягают с выпрямительными устройствами и используют для зарядки аккумуляторных батарей.

Кроме того, такие электрические машины очень чувствительны к перепадам нагрузки. Если в традиционных генераторах для возбуждения используется аккумулятор, имеющий большой запас электрической мощности, то конденсаторная батарея сама забирает из вырабатываемого тока часть энергии.

Если нагрузка на самодельный генератор из асинхронного двигателя превышает номинал, то ей не хватит электричества для подзарядки и генерация прекратится. Иногда используют емкостные батареи, объем которых динамически меняется в зависимости от величины нагрузки. Однако при этом полностью теряется преимущество «простоты схемы».

Нестабильность частоты вырабатываемого тока, изменения которой почти всегда носят случайный характер, не поддаются научному объяснению, а потому не могут быть учтены и компенсированы, предопределило малую распространенность асинхронных генераторов в быту и народном хозяйстве.

Функционирование асинхронного двигателя как генератора на видео

Электродвигатели и генераторы

Электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока и динамики объясняются с использованием анимации и схем.
Это страница ресурса от Physclips, многоуровневого мультимедийного введения в физику (загрузите анимацию на этой странице).

Двигатели постоянного тока

Простой двигатель постоянного тока имеет катушку провода, которая может вращаться в магнитном поле. ток в катушке подается через две щетки, которые соприкасаются с разрезное кольцо.Катушка лежит в устойчивом магнитном поле. Приложенные силы на токоведущих проводах создают крутящий момент на катушке. Сила F на проволоке длиной L, несущей ток i в магнитном поле B - это iLB, умноженное на синус угла между B и i, который был бы равен 90 °, если поля были равномерно вертикальными. Направление F исходит справа Правило руки *, как показано здесь. Две силы, показанные здесь, равны и противоположны, но они смещены вертикально, поэтому они оказывают крутящий момент.(Силы на две другие стороны катушки действуют вдоль одной и той же линии и, следовательно, не имеют крутящего момента.)
    * Для запоминания направления силы используется ряд различных nmemonics. Некоторые используют правую руку, некоторые левую. Для студентов, знающих векторное умножение, легко использовать силу Лоренца: F = q v X B , откуда F = i дл X B .Это происхождение диаграммы, показанной здесь.
Катушка также может рассматриваться как магнитный диполь или маленький электромагнит, как указано стрелкой SN: скрутите пальцы правой руки в Направление тока, а большой палец - это северный полюс. В эскизе справа изображен электромагнит, образованный катушкой ротора как постоянный магнит, и тот же крутящий момент (север притягивает юг) быть действующим, чтобы выровнять центральный магнит.
    Мы используем синий для северного полюса и красный для южного. Это просто соглашение, чтобы сделать ориентацию ясной: нет никакой разницы в материале на обоих концах магнита, и они обычно не окрашены в другой цвет.

Обратите внимание на влияние щеток на разрезное кольцо . Когда плоскость вращающейся катушки достигает горизонтали, щетки разорвут контакт (не так много потеряно, потому что это точка нулевого момента в любом случае - силы действовать внутрь).Момент импульса катушки переносит его за этот разрыв точка и ток затем течет в противоположном направлении, которое меняет направление магнитный диполь. Итак, после прохождения точки останова, ротор продолжает повернуть против часовой стрелки и начинает выравниваться в противоположном направлении. в следующий текст, я буду в основном использовать изображение «крутящий момент на магните», но знать, что использование щеток или переменного тока может привести к электромагнит, о котором идет речь, для изменения положения, когда ток меняет направление.

Крутящий момент, создаваемый в течение цикла, зависит от вертикального разделения две силы. Поэтому он зависит от синуса угла между ось катушки и поля. Тем не менее, из-за разрезного кольца, это всегда в том же смысле. Анимация ниже показывает его изменение во времени, и вы можете остановить его на любом этапе и проверить направление, применяя правую руку править.

Моторы и генераторы

Теперь двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока.Посмотрите на следующую анимацию. катушка, разрезное кольцо, щетки и магнит - это то же оборудование, что и мотор выше, но катушка поворачивается, что генерирует ЭДС.

Если вы используете механическую энергию, чтобы вращать катушку (N витков, область A) равномерно угловая скорость ω в магнитном поле B , это произведет синусоидальную ЭДС в катушке. ЭДС (ЭДС или электродвижущая сила - почти то же самое, что и напряжение). Пусть θ будет угол между B и нормалью к катушке, поэтому магнитный поток φ равен NAB.сов θ. Закон Фарадея дает:

Анимация выше будет называться генератором постоянного тока. Как в двигателе постоянного тока, концы катушки соединяются с разрезным кольцом, две половины которого контактируют кистями. Обратите внимание, что кисти и разрезное кольцо «исправляют» произведенную ЭДС: контакты организованы так, что ток всегда будет течь в одном и том же направление, потому что, когда катушка поворачивает мимо мертвой точки, где щетки встретить зазор в кольце, соединения между концами катушки и внешние клеммы меняются местами.ЭДС здесь (пренебрегая мертвой точкой, которая обычно происходит при нулевом напряжении) | NBAω грех ωt |, как набросал.

Генератор

Если мы хотим AC, нам не нужно исправление, поэтому нам не нужны разделительные кольца. (Это Это хорошая новость, потому что разрезные кольца вызывают искры, озон, радиопомехи и дополнительный износ. Если вы хотите DC, часто лучше использовать генератор переменного тока и выпрямлять с диодами.)

В следующей анимации две кисти касаются двух непрерывных колец, так что две внешние клеммы всегда подключены к одним и тем же концам катушки.В результате получается неопознанная синусоидальная ЭДС, заданная NBAω sin ωt, что показано в следующей анимации.


Это генератор переменного тока. Преимущества переменного и постоянного тока генераторы сравниваются в разделе ниже. Мы видели выше, что двигатель постоянного тока также генератор постоянного тока. Аналогично, генератор переменного тока также является двигателем переменного тока. Тем не мение, это довольно негибкий. (Смотри как настоящие электромоторы работают более подробно.)

Обратный ЭДС

Теперь, как показывают первые две анимации, двигатели и генераторы постоянного тока могут быть то же самое.Например, моторы поездов становятся генераторами, когда поезд замедляется: они преобразуют кинетическую энергию в электрическую и власть обратно в сетку. Недавно несколько производителей начали производить автомобили рационально. В таких автомобилях также используются электродвигатели для управления автомобилем. используется для зарядки аккумуляторов, когда автомобиль остановлен - это называется регенеративным торможения.

Итак, вот интересное следствие. Каждый двигатель - это генератор . Это правда, в некотором смысле, даже когда он функционирует как мотор.ЭДС это мотор генерирует называется обратно ЭДС . ПротивоЭДС увеличивается с скорость, из-за закона Фарадея. Итак, если двигатель не имеет нагрузки, он очень быстро и ускоряется до обратной эдс, плюс падение напряжения из-за потерь, равное напряжение питания. Обратный ЭДС можно рассматривать как «регулятор»: он останавливает двигатель бесконечно быстро (тем самым, избавляя физиков от смущения). Когда двигатель загружен, то фаза напряжения становится ближе к фазе тока (начинает выглядеть резистивным), и это кажущееся сопротивление дает напряжение.Итак, спина ЭДС требуется меньше, и двигатель вращается медленнее. (Добавить обратно ЭДС, которая является индуктивной, к резистивному компоненту, вам нужно добавить напряжения которые не в фазе. См AC схемы.)

Катушки обычно имеют сердечники

На практике (и в отличие от нарисованных нами диаграмм) генераторы и постоянный ток двигатели часто имеют сердечник с высокой проницаемостью внутри катушки, так что большие магнитные поля создаются скромными токами. Это показано слева в рисунок ниже, в котором статоров (магниты, которые являются статическими) являются постоянными магнитами.

«Универсальные» моторы

Магниты статора тоже могут быть выполнены в виде электромагнитов, как показано выше справа Два статора намотаны в одном направлении, чтобы дать поле в том же направлении, и ротор имеет поле, которое дважды меняет за цикл, потому что он связан с кистями, которые здесь опущены. Один Преимущество наличия статоров в двигателе состоит в том, что можно создать двигатель который работает от переменного или постоянного тока, так называемый универсальный двигатель .Когда вы едете такой двигатель с переменным током, ток в катушке меняется дважды в каждом цикле (помимо изменений от кистей), но полярность статоров изменения в то же время, поэтому эти изменения отменяются. (К сожалению, однако, есть еще кисти, хотя я спрятал их в этом наброске.) Для преимуществ и Недостатки статора с постоянным магнитом по сравнению со статорами с обмоткой см. ниже. Также увидеть больше на универсальных моторах.

Построить простой мотор

Чтобы построить этот простой, но странный мотор, вам понадобятся два довольно сильных магнита. (редкоземельные магниты диаметром около 10 мм будут в порядке, как и более крупный стержень магниты), немного жесткой медной проволоки (не менее 50 см), два провода с крокодилом зажимы на каждом конце, батарея фонаря на шесть вольт, две банки безалкогольного напитка, два блока дерева, немного липкой ленты и острый гвоздь.

Сделайте катушку из жесткого медного провода, чтобы он не нуждался в внешнем служба поддержки. Заверните от 5 до 20 витков в круг диаметром около 20 мм и два конца направлены радиально наружу в противоположных направлениях. Эти концы будут быть осью и контактами. Если провод имеет лаковую или пластиковую изоляцию, раздеть его на концах.

Опоры для оси могут быть изготовлены из алюминия, поэтому что они делают электрический контакт. Например, тыкать в безалкогольный напиток банки с гвоздем, как показано на рисунке.Расположите два магнита с севера на юг, так что магнитное поле проходит через катушку под прямым углом к оси. Лента или клей магниты на деревянные блоки (не показаны) в диаграмме), чтобы держать их на нужной высоте, затем переместите блоки поставить их на место, достаточно близко к катушке. Поверните катушку изначально так что магнитный поток через катушку равен нулю, как показано на схеме.

Теперь достаньте аккумулятор и два провода с зажимами крокодил.Connect две клеммы аккумулятора к двум металлическим опорам для катушка и она должна повернуться.

Обратите внимание, что у этого двигателя есть хотя бы одна «мертвая точка»: он часто останавливается в положении, когда на катушке нет крутящего момента. Не уходи слишком долго: аккумулятор быстро разряжается.

Оптимальное количество витков в катушке зависит от внутреннего сопротивление батареи, качество поддержки контактов и тип провода, поэтому вы должны экспериментировать с различными значениями.

Как уже упоминалось выше, это тоже генератор, но это очень неэффективный. Чтобы сделать большую ЭДС, используйте больше ходов (вам может понадобиться использовать более тонкий провод и рамку, на которую его намотать.) Вы можете использовать например, электрическая дрель для быстрого вращения, как показано на рисунке выше. Используйте осциллограф, чтобы посмотреть на генерируемую ЭДС. Это AC или DC?

Этот двигатель не имеет разрезного кольца, так почему же это работает на DC? Проще говоря, если бы это было точно симметрично, это не сработало бы.Однако если ток в одном полупериоде несколько меньше, чем в другом, то средний крутящий момент не будет равен нулю, и, поскольку он вращается достаточно быстро, угловой момент, полученный во время полупериода с большим током, переносит его через полупериод, когда крутящий момент в противоположном направлении. Как минимум два эффекта могут вызвать асимметрию. Даже если провода полностью зачищены, а провода чистые, сопротивление контакта вряд ли будет одинаковым даже в состоянии покоя. Кроме того, само вращение вызывает прерывистость контакта, поэтому, если в течение одной фазы имеются более длинные отскоки, этой асимметрии достаточно.В принципе, вы могли бы частично зачистить провода таким образом, чтобы ток был равен нулю в одной половине цикла.

Альтернативная версия простого двигателя, Джеймсом Тейлор.
Еще более простой двигатель (который также гораздо проще понять!) - это гомополярный двигатель.

Двигатели переменного тока

С помощью переменного тока мы можем менять направление поля без использования щеток.Это хорошие новости, потому что мы можем избежать искрения, производства озона и омическая потеря энергии, которую могут повлечь за собой щетки. Далее, потому что щетки контакт между движущимися поверхностями, они изнашиваются.

Первое, что нужно сделать в двигателе переменного тока, - это создать вращающееся поле. «Обычный» Переменный ток от 2-х или 3-х контактного разъема является однофазным, он имеет один синусоидальный Разность потенциалов генерируется только между двумя проводами - активным и нейтральным. (Обратите внимание, что заземляющий провод не проводит ток, кроме как в случае электрические неисправности.) С однофазным переменным током можно создать вращающееся поле генерируя два тока, которые не совпадают по фазе, используя, например, конденсатор. В показанном примере два тока сдвинуты по фазе на 90 °, поэтому вертикальное компонент магнитного поля является синусоидальным, а горизонтальный - косусоидальным, как показано. Это дает поле, вращающееся против часовой стрелки.

(* меня попросили объяснить это: от простого кондиционера Теория, ни катушки, ни конденсаторы не имеют напряжения в фазе с электрический ток.В конденсаторе напряжение является максимальным, когда заряд закончил течь на конденсатор, и собирается начать течь. Таким образом, напряжение отстает от тока. В чисто индуктивной катушке падение напряжения является наибольшим, когда ток меняется наиболее быстро, что также когда ток равен нулю. Напряжение (падение) опережает ток. В моторных катушках фазовый угол меньше 90, потому что электрический энергия преобразуется в механическую энергию.)

В этой анимации графики показывают изменение во времени течений в вертикальных и горизонтальных катушках. Участок поля компонентов B x а B y показывает, что векторная сумма этих двух полей является вращающейся поле. Основное изображение показывает вращающееся поле. Это также показывает полярность магнитов: как указано выше, синий представляет северный полюс, а красный - южный полюс.

Если мы поместим постоянный магнит в эту область вращающегося поля, или если мы положим в катушке, ток которой всегда идет в одном направлении, то это становится синхронный двигатель .При широком диапазоне условий двигатель будет повернуть со скоростью магнитного поля. Если у нас много статоров, вместо только из двух пар, показанных здесь, то мы могли бы рассматривать его как шаговый двигатель: каждый импульс перемещает ротор на следующую пару задействованных полюсов. Пожалуйста, помните мое предупреждение об идеализированной геометрии: настоящие шаговые двигатели есть десятки полюсов и довольно сложной геометрии!

Асинхронные двигатели

Теперь, поскольку у нас есть изменяющееся во времени магнитное поле, мы можем использовать индуцированную ЭДС в катушке - или даже только вихревые токи в проводнике - чтобы сделать ротор магнит.Это верно, когда у вас есть вращающееся магнитное поле, вы можете просто вставьте проводник, и он получится. Это дает несколько из преимуществ асинхронные двигатели : нет щеток или коммутатора, что упрощает производство, нет износ, отсутствие искр, образование озона и отсутствие потерь энергии с ними. Внизу слева приведена схема асинхронного двигателя. (Для фотографий реальные асинхронные двигатели и более подробную информацию, см. Индукционные двигатели).

Анимация справа представляет собой двигатель с короткозамкнутым ротором .Белка клетка имеет (в этой упрощенной геометрии, во всяком случае!) два круглых проводника, соединенных на несколько прямых баров. Любые два стержня и дуги, которые соединяют их, образуют катушка - как показано синей чертой в анимации. (Только два из для простоты было показано много возможных схем.)

Эта схема показывает, почему их можно назвать двигателями с короткозамкнутым ротором. Реальность другая: фотографии и подробности см. В разделе «Индукция». моторы. Проблема с асинхронными и короткозамкнутыми двигателями показана в этой анимации, что конденсаторы высокого значения и высокого напряжения дорогиеОдним из решений является двигатель с «затененным полюсом», но его вращающийся поле имеет некоторые направления, где крутящий момент мал, и он имеет тенденцию бежать назад при некоторых условиях. Самый лучший способ избежать этого использовать многофазные двигатели.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Единственная фаза используется в домашних условиях для приложений с низким энергопотреблением, но у него есть некоторые недостатки. Во-первых, он выключается 100 раз в секунду (вы не обратите внимание, что флуоресцентные лампы мерцают на этой скорости, потому что ваши глаза слишком медленные: даже 25 кадров в секунду на телевизоре достаточно быстры, чтобы иллюзия непрерывного движения.) Во-вторых, это делает его неловким производить вращающиеся магнитные поля. По этой причине некоторая высокая мощность (несколько кВт) бытовые устройства могут потребовать трехфазной установки. Промышленные применения широко использовать три фазы, а трехфазный асинхронный двигатель является стандартным рабочая лошадка для мощных применений. Три провода (не считая земли) несут три возможных разности потенциалов, которые не в фазе с каждым другой на 120 °, как показано на анимации ниже. Таким образом три статора дают плавно вращающееся поле.(Посмотри это ссылка для получения дополнительной информации о трехфазном питании.)

Если в такой набор статоров поместить постоянный магнит, он становится синхронным трехфазный двигатель . Анимация показывает клетку белка, в которой для простота показана только одна из множества индуктированных токовых петель. С нет механическая нагрузка, она вращается практически в фазе с вращающимся полем. Ротор не должен быть короткозамкнутым: фактически любой проводник, который будет несущие вихревые токи будут вращаться, стремясь следовать вращающемуся полю.Такое расположение может дать асинхронный двигатель , способный к высокой эффективности, высокая мощность и высокий крутящий момент в диапазоне скоростей вращения.

Линейные моторы

Набор катушек может быть использован для создания магнитного поля, которое переводит, скорее чем вращается. Пара катушек в анимации ниже пульсирует от слева направо, поэтому область магнитного поля перемещается слева направо. постоянный или электромагнит будет стремиться следовать за полем. Так бы простой плита из проводящего материала, потому что вихревые токи, индуцированные в нем (не показаны) содержат электромагнит.В качестве альтернативы, мы могли бы сказать, что из Фарадея закон, ЭДС в металлической плите всегда вызывается, чтобы противостоять любым изменениям в магнитном потоке, и силы на токах, вызванных этой эдс, сохраняют поток в плите почти постоянный. (Вихревые токи не показаны в этой анимации.)

В качестве альтернативы, мы могли бы иметь наборы катушек с питанием в движущейся части, и вызвать вихревые токи в рельсе. В любом случае мы получаем линейный двигатель, который был бы полезен, скажем, в поездах Маглев.(В анимации геометрия как обычно на этом сайте, высоко идеализирован, и только один вихревой ток показано.)

Некоторые заметки о двигателях переменного и постоянного тока для мощных применений

    Этот сайт был изначально написан, чтобы помочь старшеклассникам и учителя в Новом Южном Уэльсе, Австралия, где концентрируется новый учебный план на истории и приложениях физики, за счет самой физики, был введен. Новый учебный план, в одной из точек, имеет этот загадочное требование: «объясните, что двигатели переменного тока обычно вырабатывают малую мощность и связать это с их использованием в электроинструментах ".
Двигатели переменного тока используются для мощных применений, когда это возможно. Три асинхронные электродвигатели переменного тока широко используются для мощных применений, в том числе тяжелая индустрия. Тем не менее, такие двигатели не подходят, если многофазный недоступен, или трудно доставить. Электропоезда являются примером: легче строить линии электропередач и пантографы, если нужен только один активный проводник, так что это обычно несет DC, и много двигателей поезда - DC. Однако из-за недостатков постоянного тока для высокой мощности, более современные поезда преобразуют постоянный ток в переменный ток, а затем работают трехфазные двигатели.

Однофазные асинхронные двигатели имеют проблемы для комбинирования приложений высокая мощность и гибкие условия нагрузки. Проблема заключается в создании вращающееся поле. Конденсатор может быть использован для помещения тока в один набор Катушки впереди, но конденсаторы высокого напряжения высокого напряжения стоят дорого. Затенение вместо этого используются полюса, но крутящий момент мал под некоторыми углами. Если не можешь создать плавно вращающееся поле, и если нагрузка «скользит» далеко позади поле, то крутящий момент падает или даже меняет направление.

В электроинструментах и ​​некоторых приборах используются щеточные двигатели переменного тока. Щетки вводят потери (плюс искрение и производство озона). Полярности статора меняются местами 100 раз в секунду. Даже если материал сердечника выбран для минимизации гистерезиса потери («потери в железе»), это способствует неэффективности и возможности от перегрева. Эти моторы можно назвать «универсальными» двигатели, потому что они могут работать на постоянном токе. Это решение дешево, но сыро и неэффективно. Для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как электроинструменты, неэффективность обычно не является экономически важной.

Если доступен только однофазный переменный ток, можно выпрямить переменный ток и использовать Двигатель постоянного тока. Сильноточные выпрямители раньше были дорогими, но становятся менее дорогой и более широко используемый. Если вы уверены, что понимаете принципы, пришло время перейти к Как настоящие электромоторы работы Джона Стори. Или продолжайте здесь, чтобы найти о громкоговорителях и трансформаторах.


Громкоговорители

Громкоговоритель - это линейный двигатель с небольшим диапазоном.Имеет один движущийся катушка, которая постоянно, но гибко подключена к источнику напряжения, так что есть нет кистей.
Катушка движется в поле постоянного магнита, который обычно имеет форму создать максимальную силу на катушке. Движущаяся катушка не имеет сердечника, поэтому его масса мала, и он может быть ускорен быстро, что позволяет частота движения. В громкоговорителе катушка прикреплена к легкому весу бумажный конус, который поддерживается на внутреннем и внешнем краях круглым, плиссированные бумажные «пружины».На фотографии ниже, динамик находится за нормальный верхний предел его перемещения, поэтому катушка видна над магнитные столбы.

Для низкочастотного звука с большой длиной волны нужны большие конусы. Динамик, показанный ниже, имеет диаметр 380 мм. Колонки предназначены для низкие частоты называются сабвуферами. Они имеют большую массу и являются поэтому трудно разогнаться быстро для высокочастотных звуков. На фотографии ниже раздел был вырезан, чтобы показать внутренние компоненты.

Твитеры - динамики, предназначенные для высоких частот - могут быть просто колонки аналогичного дизайна, но с небольшими, малыми по массе диффузорами и катушками. В качестве альтернативы они могут использовать пьезоэлектрические кристаллы для перемещения конуса.

Динамики считаются линейными двигателями со скромным диапазоном - возможно, десятки мм. Подобные линейные двигатели, хотя, конечно, без бумажного конуса, часто бывают используется для радиального перемещения головки чтения и записи на дисководе.
Громкоговорители как микрофоны
На рисунке выше вы можете видеть, что картонная диафрагма (диффузор громкоговорителя) соединена с катушкой провода в магнитном поле. Если звуковая волна перемещает диафрагму, катушка будет двигаться в поле, генерируя напряжение. Это принцип динамического микрофона - хотя в большинстве микрофонов диафрагма немного меньше, чем диффузор громкоговорителя. Итак, динамик должен работать как микрофон. Это хороший проект: все, что вам нужно - это динамик и два провода для подключения его к входу осциллографа или микрофонному входу вашего компьютера.Два вопроса: как вы думаете, что масса конуса и катушки будет делать с частотной характеристикой? Как насчет длины волны используемых вами звуков?

Предупреждение: настоящие двигатели сложнее

Эскизы двигателей были схемами, чтобы показать принципы. Пожалуйста, не сердитесь, если, когда вы раздвигаете мотор, он выглядит более сложно! (Смотри как настоящие электродвигатели работают.) Например, типичный двигатель постоянного тока Скорее всего, у вас будет много отдельно намотанных катушек, чтобы получить более плавный крутящий момент: всегда есть одна катушка, для которой синусоидальный термин близок к единице.Это показано ниже для двигателя со статорами намотки (выше) и постоянные статоры (ниже).

Трансформаторы

На фотографии показан трансформатор, предназначенный для демонстрационных целей: первичная и вторичная катушки четко разделены и могут быть удалены и заменили, подняв верхнюю часть сердечника. Для наших целей, обратите внимание что катушка слева имеет меньше катушек, чем справа (вставки показать крупные планы).

На схеме и схеме показан повышающий трансформатор. Чтобы сделать понижающий трансформатор, нужно только поместить источник справа и нагрузку слева. ( Важно Указание по безопасности : для настоящего трансформатора вы можете «только вставить его назад» только после проверки, что номинальное напряжение было соответствующим.) Итак, как же трансформатор работает?

Сердцевина (затененная) обладает высокой магнитной проницаемостью, т.е. материалом, который образует магнитное поле намного легче, чем свободное пространство, благодаря ориентации атомных диполей.(На фотографии ядро ​​из ламинированного мягкого железа.) В результате поле сосредоточено внутри ядра, и почти никакие полевые линии не покидают ядро. Если следует, что магнитные потоки φ через первичный и вторичный примерно равны, как показано. Из Фарадея закон, ЭДС в каждом витке, будь то в первичной или вторичной катушке, составляет -dφ / dt. Если пренебречь сопротивлением и другими потерями в трансформаторе, терминал напряжение равно ЭДС. Для N р оборотов первичного дает

Для N с витков вторичной обмотки это дает Разделив эти уравнения, получим преобразователь , уравнение . где r - коэффициент поворотов.А как насчет тока? Если мы пренебрегаем потерями в трансформатор (см. раздел ниже по эффективности), и если мы предположим, что напряжение и ток имеют одинаковые фазовые отношения в первичной и вторичный, то из сохранения энергии мы можем написать в устойчивом состоянии:
    Power In = Power Out, так

    V p I p = V с I с , откуда

    I с / I р = N р / N с = 1 / р.

Так что вы ничего не получите даром: если вы увеличиваете напряжение, вы уменьшаете ток по (как минимум) тем же фактором. Обратите внимание, что на фотографии Катушка с большим количеством витков имеет более тонкий провод, потому что она предназначена для того, чтобы нести меньше ток чем то с меньшим количеством витков.

В некоторых случаях уменьшение тока является целью упражнения. В силе линии электропередачи, например, потери мощности при нагреве проводов из-за их ненулевое сопротивление пропорционально квадрату тока.Таким образом, это экономит много энергии для передачи электроэнергии от электростанции в город при очень высоких напряжениях, так что токи только скромные.

Наконец, и снова, предполагая, что трансформатор идеален, давайте спросим, ​​что резистор во вторичной цепи «похож» на первичную цепь. В первичной цепи:

    V p = V s / r и I p = У меня с .р так

    V p / I p = V с / r 2 I с = Р / р 2 .

Р / р 2 называется отраженным сопротивлением . При условии, что частота не слишком высокая, и при условии, что есть сопротивление нагрузки (условия обычно встречаются в практических трансформаторах), индуктивное сопротивление первичной намного меньше, чем это отраженное сопротивление, поэтому первичная цепь ведет себя как если бы источник управлял резистором со значением R / r 2 .
КПД трансформаторов
На практике реальные трансформаторы менее чем на 100% эффективны.
  • Во-первых, в катушках возникают омические потери (потеря мощности I 2 .r). Для данного материала сопротивление катушек можно уменьшить, сделав их поперечное сечение большое. Удельное сопротивление также можно сделать низким с помощью медь высокой чистоты. (См. Дрифт скорость и закон Ома.)
  • Во-вторых, в сердечнике есть некоторые потери на вихревые токи. Это может быть уменьшается путем ламинирования ядра. Ламинации уменьшают площадь контуров в ядре, и так уменьшить ЭДС Фарадея, и поэтому ток течет в ядре, и поэтому энергия теряется.
  • В-третьих, в сердечнике есть гистерезисные потери. Намагниченность и Кривые размагничивания для магнитных материалов часто немного отличаются (гистерезис или историческая зависимость), и это означает, что энергия требуется намагничивать сердечник (пока ток увеличивается) не совсем восстанавливается во время размагничивания. Разница в энергии теряется как тепло в основном.
  • Наконец, геометрический дизайн, а также материал ядра могут оптимизировать, чтобы гарантировать, что магнитный поток в каждой катушке вторичной обмотки почти такой же, как в каждой катушке первичной.
Подробнее о трансформаторах: генераторы переменного и постоянного тока
Трансформаторы работают только на переменном токе, что является одним из больших преимуществ переменного тока. трансформеры позвольте 240 В понизиться до удобных уровней для цифровой электроники (всего несколько вольт) или для других приложений с низким энергопотреблением (обычно 12 В). трансформеры увеличьте напряжение для передачи, как указано выше, и уменьшите для безопасного распределение. Без трансформаторов, трата электроэнергии в распределении сети, уже высокие, были бы огромными.Есть возможность конвертировать напряжения в постоянном токе, но сложнее, чем в переменном. Кроме того, такие преобразования часто неэффективно и / или дорого. AC имеет еще то преимущество, что его можно использовать на двигателях переменного тока, которые обычно предпочтительнее двигателей постоянного тока для применений с высокой мощностью.

Другие ресурсы от нас

Некоторые внешние ссылки на веб-ресурсы по двигателям и генераторам

  • Гиперфизика: Электродвигатели с сайта HyperPhysics в штате Джорджия. Отлично сайт в целом, а моторная часть идеально подходит для этой цели. Хорошо использование веб-графики. Есть ли DC, AC и асинхронные двигатели и имеет обширный ссылки
  • Громкоговорители .. Больше хороших вещей из штата Джорджия Гиперфизика. Хорошая графика, хорошие объяснения и ссылки. Этот громкоговоритель Сайт также включает в себя приложения.
  • http://members.tripod.com/simplemotor/rsmotor.htm A сайт, описывающий студенческий мотор.Ссылки на другие двигатели, построенные тот же студент и ссылки на сайты о двигателях.
  • http://www.specamotor.com A сайт, который сортирует двигатели от разных производителей в соответствии с техническими характеристиками, введенными пользователем.

В чем разница между постоянными магнитами а наличие электромагнитов в двигателе постоянного тока? Это делает его более эффективным или более могущественный? Или просто дешевле?

Когда я получил этот вопрос на Высшем Школьная доска объявлений по физике, я отправил ее Джону Этаж, а также выдающийся астроном, строитель электромобилей.Вот его ответ:

В общем, для небольшого мотора гораздо дешевле использовать постоянные магниты. Материалы с постоянными магнитами продолжают улучшаться и стали такими недорогими что даже правительство будет присылать вам бессмысленные магниты на холодильник через почту. Постоянные магниты также более эффективны, потому что нет питания тратится впустую, создавая магнитное поле. Так зачем использовать рану Двигатель постоянного тока? Вот несколько причин:

  • Если вы строите действительно большой мотор, вам нужен очень большой магнит и в какой-то момент поле раны может стать дешевле, особенно если очень сильное магнитное поле необходимо для создания большого крутящего момента.Имейте это в виду если вы планируете поезд. По этой причине большинство автомобилей имеют стартеры которые используют поле раны (хотя некоторые современные автомобили в настоящее время используют постоянный магнитные моторы).
  • С постоянным магнитом магнитное поле имеет фиксированное значение (это что означает «постоянный»!) Напомним, что крутящий момент, создаваемый двигателем данная геометрия равна произведению тока через якорь и напряженность магнитного поля. С двигателем намотанного поля у вас есть возможность изменения тока через поле, и, следовательно, изменение характеристики двигателя.Это приводит к ряду интересных возможностей; Вы кладете обмотку в ряд параллельно с якорем, или кормить его из отдельно контролируемого источника? Пока достаточно крутящий момент для преодоления нагрузки на двигатель, внутреннего трения и т. д., чем слабее магнитное поле, тем быстрее вращается мотор напряжение). Поначалу это может показаться странным, но это правда! Итак, если вы хотите двигатель, который может производить большой крутящий момент в состоянии покоя, но вращаться с большой скоростью Скорости, когда нагрузка мала (как этот дизайн поезда?) возможно поле раны - ответ.
  • Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал от переменного и постоянного тока (так называемый «универсальный» двигатель), магнитное поле должно менять свою полярность через каждые пол цикла Мощность переменного тока для того, чтобы крутящий момент на роторе всегда был в одном направлении. Очевидно, что для достижения этой цели вам нужен мотор с полем намотки.

Мнения, выраженные в этих примечаниях, являются моими и не обязательно отражают политика Университета Нового Южного Уэльса или Школы физики. анимации были сделаны Джорджем Hatsidimitris.
Джо Wolfe / [email protected]/ 61-2-9385 4954 (UT + 10, +11 октябрь-март)
.

Однофазный асинхронный двигатель

Дмитрий Левкин

Однофазный асинхронный электродвигатель представляет собой асинхронный электродвигатель, который работает от однофазной сети переменного тока без использования преобразователя частоты и который в базовом режиме работы (после запуска) использует только одну обмотку (фазу). статора.

Сплитфазный двигатель - это однофазный асинхронный двигатель, имеющий вспомогательную (пусковую) обмотку на статоре, смещенную от основной, и короткозамкнутый ротор [2].

Конструкция однофазного асинхронного двигателя с вспомогательной или пусковой обмоткой

Основными компонентами любого электродвигателя являются ротор и статор. Ротор является вращающейся частью электродвигателя, статор является неподвижной частью электродвигателя, с помощью которого создается магнитное поле для вращения ротора. Construction of a single-phase motor

Основные части однофазного асинхронного двигателя: ротор и статор

Статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90 ° относительно друг друга.Основная (рабочая) обмотка обычно занимает 2/3 пазов сердечника статора, другая обмотка называется вспомогательной (пусковой) и обычно занимает 1/3 пазов статора.

Двигатель фактически двухфазный, но поскольку после запуска работает только одна обмотка, электродвигатель называется однофазным.

Ротор типа обычно представляет собой короткозамкнутую обмотку, также называемую «короткозамкнутой клеткой» из-за сходства. Чьи медные или алюминиевые стержни закрыты кольцами на концах, а пространство между стержнями часто заполнено алюминиевым сплавом.Ротор однофазного двигателя также может быть выполнен в виде полого немагнитного или полого ферромагнитного цилиндра.

Windings of single-phase motor

Однофазный асинхронный двигатель со вспомогательной обмоткой имеет две обмотки, расположенные перпендикулярно друг другу

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Чтобы лучше понять работу однофазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим его только с одним витком в главной и вспомогательной обмотках.

Induction motor windings

Анализ корпуса с двумя обмотками, имеющими один оборот

Рассмотрим случай, когда ток не течет во вспомогательной обмотке.При включении основной обмотки статора переменный ток, проходящий через обмотку, создает пульсирующее магнитное поле, стационарное в пространстве, но колеблющееся от + Ф макс. до -Ф макс. .

Старт

Стоп

Pulsating magnetic field

Колеблющееся магнитное поле

Если вы поместите короткозамкнутый ротор с начальным вращением в флуктуирующее магнитное поле, он продолжит вращаться в том же направлении.

Чтобы понять принцип работы однофазного асинхронного двигателя, мы разделяем флуктуирующее магнитное поле на два одинаковых вращающихся поля с амплитудой, равной Ф макс. /2 и вращающихся в противоположных направлениях с одинаковой частотой:

,

  • где n f - скорость вращения магнитного поля в прямом направлении, об / мин,
  • n r - скорость вращения магнитного поля в обратном направлении, об / мин,
  • f 1 - частота тока статора, Гц,
  • - число пар полюсов,
  • n 1 - скорость вращения магнитного потока, об / мин

Старт

Стоп

The decomposition of the fluctuating magnetic field

Разложение флуктуирующего магнитного потока на два вращающихся

Действие флуктуирующего поля на вращающийся ротор

Рассмотрим случай, когда ротор в флуктуирующем магнитном потоке имеет начальное вращение.Например, мы вручную вращали вал однофазного двигателя, одна обмотка которого подключена к электросети переменного тока. В этом случае при определенных условиях двигатель будет продолжать развивать крутящий момент, поскольку скольжение ротора относительно прямого и обратного магнитного потока будет неравным.

Предположим, что прямой магнитный поток Ф f вращается в направлении вращения ротора, а обратный магнитный поток Ф r в противоположном направлении. Поскольку скорость вращения ротора n 2 меньше скорости вращения магнитного потока n 1 , то скольжение ротора относительно потока Ф f будет:

,

  • где s f - скольжение ротора относительно прямого магнитного потока,
  • n 2 - частота вращения ротора,
  • с асинхронным двигателем скольжения
Single-phase motor magnetic field

Прямой и обратный вращающийся магнитный поток вместо флуктуирующего магнитного потока

Магнитный поток Ф r вращается против вращения ротора, скорость вращения ротора n 2 относительно этого потока отрицательна, а скольжение ротора относительно Ф r

,

  • , где s r - скольжение ротора относительно обратного магнитного потока

Старт

Magnetic field penetrating the rotor

Стоп

Rotating magnetic field

Вращающееся магнитное поле, пронизывающее ротор

The current of induction motor rotor

Ток, индуцированный в роторе переменным магнитным полем

Согласно закону электромагнитной индукции, магнитные потоки прямого Ф f и обратного Ф r , генерируемые обмоткой статора, индуцируют ЭДС в обмотке ротора, которая, соответственно, в короткозамкнутом роторе генерирует токи I 2f. а я .Частота тока в роторе пропорциональна скольжению, поэтому:

,

  • где f 2f - частота тока I 2f , индуцированного прямым магнитным потоком, Гц

,

  • где f 2r - частота тока I 2r , индуцированного обратным магнитным потоком, Гц

Таким образом, когда ротор вращается, электрический ток I 2r , индуцированный обратным магнитным полем в обмотке ротора, имеет частоту f 2r , намного превышающую частоту f 2f тока ротора I 2f индуцируется передним полем.

Пример: для однофазного асинхронного двигателя, работающего от сети с частотой f 1 = 50 Гц при n 1 = 1500 и n 2 = 1440 об / мин,

скольжения ротора относительно прямой магнитный поток s f = 0,04;
частота тока, индуцированного прямым магнитным потоком f 2f = 2 Гц;
проскальзывание ротора относительно обратного магнитного потока а с р = 1,96;
частота тока, индуцированного обратным магнитным потоком f 2r = 98 Гц

Magnetic torque acting on the rotor

Согласно закону Ампера, крутящий момент возникает в результате взаимодействия электрического тока I 2f с магнитным полем F f

,

  • где M f - магнитный момент, создаваемый прямым магнитным потоком, Н, м,
  • с М - постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя

Электрический ток I 2r , взаимодействуя с магнитным полем Ф r , создает тормозной момент M r , направленный против вращения ротора, то есть в противоположность моменту M f :

,

  • , где M r - магнитный момент, создаваемый обратным магнитным потоком, Н 900 м

Результирующий крутящий момент, действующий на ротор однофазного асинхронного двигателя,

,

Примечание: В связи с тем, что во вращающемся роторе прямое и обратное магнитное поле будет индуцировать ток различной частоты, крутящие моменты, действующие на ротор в разных направлениях, не будут одинаковыми.Следовательно, ротор будет продолжать вращаться в колеблющемся магнитном поле в направлении, в котором он имел начальное вращение.

Эффект торможения обратного поля

Когда однофазный двигатель работает в пределах номинальной нагрузки, то есть при малых значениях скольжения s = s f , крутящий момент создается в основном за счет крутящего момента M f . Эффект торможения от крутящего момента обратного поля M r незначительный. Это связано с тем, что частота f 2r значительно выше частоты f 2f , поэтому индуктивное сопротивление обмотки ротора а х 2r = x 2 с r к току У меня намного больше, чем у него активное сопротивление.Поэтому ток I 2r , имеющий большую индуктивную составляющую, оказывает сильное размагничивающее действие на обратный магнитный поток Ф r , значительно ослабляя его.

,

  • где r 2 - сопротивление стержней ротора, Ом,
  • x 2r - реактивное сопротивление стержней ротора, Ом.

Если учесть, что коэффициент мощности мал, то станет понятно, почему M r под нагрузкой двигателя не оказывает существенного тормозного воздействия на ротор однофазного двигателя.

Torques acting on the fixed rotor

При одной фазе ротор не может быть запущен.

Torques acting on the rotating rotor

Ротор с начальным вращением будет продолжать вращаться в поле, создаваемом однофазным статором

Действие флуктуирующего поля на неподвижный ротор

При неподвижном роторе (n 2 = 0) скольжение s f = s r = 1 и M f = M r , поэтому начальный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя M f = 0.Чтобы создать пусковой момент, необходимо привести ротор во вращение в ту или иную сторону. Тогда s ≠ 1, равенство моментов М f и М r нарушается, и результирующий электромагнитный момент приобретает некоторое значение M = M f - M r ≠ 0.

Запуск однофазного асинхронного двигателя. Как создать начальный поворот?

Одним из способов создания пускового крутящего момента в однофазном асинхронном двигателе является расположение вспомогательной (пусковой) обмотки B, которая смещена в пространстве относительно главной (рабочей) обмотки A под углом 90 электрических градусов.Для того чтобы обмотки статора создавали вращающееся магнитное поле, токи I A и I B в обмотках должны быть не в фазе относительно друг друга. Для получения фазового сдвига между токами I A и I B вспомогательная (пусковая) обмотка B подключена к фазосдвигающему элементу, который представляет собой сопротивление (резистор), индуктивность (дроссель) или емкость (конденсатор). [1].

После того, как ротор двигателя ускоряется до скорости вращения, близкой к постоянной, пусковая обмотка B отключается.Вспомогательная обмотка отключается либо автоматически с помощью центробежного переключателя, реле задержки времени, тока или дифференциального реле, либо вручную с помощью кнопки.

Таким образом, во время запуска однофазный асинхронный двигатель работает как двухфазный, а после запуска - как однофазный.

Подключение однофазного асинхронного двигателя

Сопротивление пуска асинхронного двигателя

Сопротивление пуска Асинхронный двигатель представляет собой двухфазный двигатель, в котором цепь вспомогательной обмотки отличается повышенным сопротивлением.

Wiring diagram of a single-phase motor with starting resistance

Омический фазовый сдвиг, бифилярная пусковая обмотка

Single phase motor with different winding resistance

Различное сопротивление и индуктивность обмоток

Для запуска однофазного асинхронного двигателя вы можете использовать пусковой резистор, который последовательно подключен к пусковой обмотке. В этом случае можно добиться сдвига фаз на 30 ° между токами главной и вспомогательной обмоток, чего вполне достаточно для запуска двигателя.В двигателе с пусковым сопротивлением разность фаз объясняется различным комплексным сопротивлением цепей.

Кроме того, фазовый сдвиг можно создать с помощью пусковой обмотки с меньшей индуктивностью и большим сопротивлением. Для этого пусковая обмотка выполняется с меньшим числом витков и с использованием более тонкой проволоки, чем в основной обмотке.

Пусковой конденсаторный асинхронный двигатель

Конденсаторный запуск Асинхронный двигатель представляет собой двухфазный двигатель, в котором цепь вспомогательной обмотки с конденсатором включается только на время пуска.

Wiring diagram of a single-phase motor with starting capacitor

Емкостный фазовый сдвиг с пусковым конденсатором

Для достижения максимального пускового крутящего момента требуется создать круговое вращающееся магнитное поле, для этого необходимо, чтобы токи в основной и вспомогательной обмотках были смещены относительно друг друга на 90 °. Использование резистора или дросселя в качестве элемента, сдвигающего фазу, не обеспечивает требуемого сдвига фаз. Только включение конденсатора определенной емкости позволяет сдвиг фазы на 90 °.

Среди фазосдвигающих элементов только конденсатор позволяет достичь наилучших пусковых свойств однофазного асинхронного электродвигателя.

Двигатели, в цепи которых постоянно включенный конденсатор, используют две фазы для работы и называются конденсаторными. Принцип работы этих двигателей основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Асинхронный двигатель с заштрихованными полюсами представляет собой двухфазный двигатель, в котором вспомогательная обмотка замкнута накоротко.

Статор однофазного асинхронного двигателя с заштрихованными полюсами обычно имеет выступающие полюса. Каждый полюс статора разделен на две неравные секции осевой канавкой. Меньшая часть полюса имеет короткозамкнутый виток. Ротор однофазного двигателя с заштрихованными полюсами закорочен в виде короткозамкнутого сепаратора.

Когда однофазная обмотка статора включена в электрическую сеть, в магнитной цепи двигателя создается флуктуирующий магнитный поток.Одна часть которого проходит через незатененный Ф ', а другая Ф "вдоль затененного участка полюса. Поток Ф" индуцирует ЭДС E k в короткозамкнутом витке, в результате чего ток I k отстает от E В фазе к из-за индуктивности катушки. Ток I к создает магнитный поток Ф к , направленный противоположно Ф ", создавая результирующий поток в затененном участке полюса Ф с = Ф" + Ф к . Таким образом, в двигателе потоки затененных и незатененных участков полюса смещаются во времени на определенный угол.

Пространственные и временные углы сдвига между потоками Ф с и Ф 'создают условия для появления вращающегося эллиптического магнитного поля в двигателе, начиная с Ф с ≠ Ф'.

Пусковые и рабочие свойства рассматриваемого двигателя низкие. КПД значительно ниже, чем у асинхронных двигателей с пусковым конденсатором той же мощности, что связано со значительными электрическими потерями в короткозамкнутой катушке.

Single-phase induction motor with asymmetrical stator

Статор такого однофазного двигателя выполнен с выступающими полюсами на несимметричном многослойном сердечнике.Ротор имеет короткозамкнутую обмотку.

Этот двигатель для работы не требует использования фазосдвигающих элементов. Недостатком этого мотора является низкий КПД.

Также прочитайте

.

Электрические машины - генераторы - описание и применение

Первичная подача всей мировой электроэнергии вырабатывается в трехфазных синхронных генераторах с использованием машин с номинальной мощностью до 1500 МВт или более. Хотя разнообразие электрогенераторов не так велико, как широкое разнообразие доступных электродвигателей, они подчиняются сходным правилам проектирования, и большинство принципов работы, используемых в электродвигателях различных классов, также применимы к электрогенераторам.Подавляющее большинство генераторов - это машины переменного тока (генераторы переменного тока) с меньшим количеством генераторов постоянного тока (динамо).

Большинству применений генератора требуется некоторый способ управления выходным напряжением, а в случае машин переменного тока - метод управления частотой. Регулирование напряжения и частоты обычно выполняется в очень больших машинах, несущих очень большие токи, путем управления возбуждением генератора и скоростью первичного двигателя, который приводит в движение генератор.

Как и у электродвигателей, максимальная мощность генератора определяется его максимально допустимой температурой.

Регулирование напряжения и частоты корректно для незначительных отклонений в выходной мощности генератора, как отмечалось выше, но большие изменения в требовании к нагрузке (ток) могут быть учтены только путем регулировки крутящего момента первичного двигателя, приводящего в движение генератор, поскольку обычно в электрических машинах крутящий момент пропорционально току или наоборот.

  • Стационарный полевой синхронный генератор переменного тока
  • В стационарном генераторе поля статор в виде постоянных постоянных магнитов (или электромагнитов, питаемых постоянным током) создает магнитное поле, а ток генерируется в обмотках ротора.

    Когда катушка ротора вращается с постоянной скоростью в поле между полюсами статора, ЭДС, генерируемая в катушке, будет приблизительно синусоидальной, фактическая форма волны зависит от размера и формы магнитных полюсов. Пиковое напряжение возникает, когда движущийся проводник проходит центральную линию магнитного полюса. Он уменьшается до нуля, когда проводник находится в пространстве между полюсами, и увеличивается до пика в противоположном направлении, когда проводник приближается к центральной линии противоположного полюса магнита.Частота сигнала прямо пропорциональна скорости вращения. Величина волны также пропорциональна скорости до тех пор, пока магнитная цепь не насыщается, когда скорость увеличения напряжения по мере увеличения скорости резко замедляется.

    • Частота вращения генератора и частота
    • Выходная частота пропорциональна количеству полюсов на фазу и скорости вращения ротора так же, как и синхронный двигатель.Смотрите таблицу скорости двигателя.

    Выход переменного тока, генерируемый в роторе, может быть подключен к внешним цепям через контактные кольца и не требует коммутатора.

    Типичные области применения - портативные генераторы переменного тока с выходной мощностью до 5 киловатт.

    Небольшие недорогие приложения, такие как бытовые ветрогенераторы, обычно предназначены для работы на высокой скорости.При заданном требовании к мощности, чем выше скорость, тем ниже требуемый крутящий момент. Это означает, что генератор может быть меньше и легче. Кроме того, высокоскоростному генератору требуется меньше полюсов, что упрощает конструкцию и снижает затраты.

  • Синхронный генератор переменного тока с вращающимся полем
  • Мощность обработки щеточным станком обычно ограничена текущей способностью обработки контактных колец в машине переменного тока (или даже больше коммутатором в машине постоянного тока).Поскольку ток нагрузки генератора, как правило, намного выше, чем ток поля, обычно желательно использовать ротор для создания поля и для отключения питания генератора от статора, чтобы минимизировать нагрузку на контактные кольца.

    Путем замены неподвижных и движущихся элементов в вышеприведенном примере создается генератор вращающегося поля, в котором вместо обмоток статора создается ЭДС. В этом случае в простейшей форме поле создается постоянным магнитом (или электромагнитом), который вращается внутри неподвижной проволочной петли или катушки в статоре.Движущееся магнитное поле из-за вращающегося магнита ротора будет вызывать протекание синусоидального тока в неподвижной катушке статора, когда поле проходит мимо проводников статора. Если поле ротора обеспечивается электромагнитом, для его возбуждения потребуется постоянный ток, подаваемый через контактные кольца. Коммутатор не нужен.

    Если вместо одной катушки используются три независимые катушки статора или обмотки, расположенные на расстоянии 120 градусов вокруг периферии машины, то на выходе этих обмоток будет трехфазный переменный ток.

    • Серийный генератор раны
    • Классифицируется как генератор с постоянной скоростью, у них плохое регулирование напряжения, и лишь немногие из них используются.

    • генератор шунтовой раны
    • Классифицируется как генератор постоянного напряжения, выходное напряжение может регулироваться путем изменения тока поля.Они имеют достаточно хорошее регулирование напряжения в диапазоне скоростей машины.

    • Бесщеточное возбуждение
    • Вращающиеся полевые машины используются для мощных электростанций в большинстве национальных электрических сетей мира. Мощность возбуждения поля, необходимая для этих огромных машин, может составлять до 2,5% от выходной мощности (25 кВт на 1.Генератор 0 МВт), хотя это уменьшается, так как эффективность увеличивается с размером, поэтому генератору 500 МВт требуется 2,5 МВт (0,5%) мощности возбуждения. Если напряжение поля составляет 1000 Вольт, требуемый ток поля будет 2500 Ампер. Обеспечение такого возбуждения через контактные кольца является инженерной задачей, которая была преодолена путем генерирования необходимой мощности внутри самой машины с помощью пилотного трехфазного стационарного полевого генератора на одном валу. Переменный ток, генерируемый в обмотках пилотного генератора, выпрямляется и подается непосредственно на обмотки ротора, чтобы обеспечить возбуждение для основной машины.

    • Охлаждение
      КПД очень большого генератора может достигать 98% или 99%, но для генератора мощностью 1000 МВт потеря КПД всего 1% означает, что потери 10 мегаватт должны рассеиваться, в основном, в виде тепла. Чтобы избежать перегрева, необходимо принять особые меры предосторожности при охлаждении и обычно одновременно использовать две формы охлаждения. Охлаждающая вода циркулирует через медные шины в обмотках статора, а водород проходит через корпус генератора.Преимущество водорода состоит в том, что его плотность составляет всего около 7% от плотности воздуха, что приводит к меньшим потерям от ветра из-за того, что ротор перемешивает воздух в машине, а его тепловая мощность в 10 раз выше, чем у воздуха, что обеспечивает превосходную способность отвода тепла.
  • Генераторы переменного тока с постоянными магнитами
  • Меньшие версии обеих вышеперечисленных машин могут использовать постоянные магниты для обеспечения магнитного поля машины, а поскольку для обеспечения поля не используется энергия, это означает, что машины проще и эффективнее.Однако недостатком является то, что не существует простого способа управления такими машинами. Синхронные генераторы с постоянными магнитами (PMSG) обычно используются в недорогих «генераторных установках» для обеспечения аварийного питания.

    Выходное напряжение и частота генератора с постоянными магнитами пропорциональны скорости вращения, и хотя это не может быть проблемой для приложений, работающих на механических приводах с фиксированной скоростью, во многих приложениях, таких как ветряные турбины, требуется фиксированный выход напряжения и частоты, но приводятся в действие первичными двигателями с переменной скоростью.В этих случаях могут потребоваться сложные системы управления с обратной связью или внешнее кондиционирование для обеспечения требуемого стабилизированного выхода.

    Обычно выходной сигнал выпрямляется, а переменное выходное напряжение подается по линии постоянного тока на стабилизатор повышающего напряжения, который обеспечивает фиксированное напряжение в сочетании с инвертором, который обеспечивает выход с фиксированной частотой.

  • Генераторы переменного / импульсного сопротивления
  • По конструкции похож на коммутируемый реактивный двигатель, генератор представляет собой вдвойне заметную машину без магнитов или щеток.Поскольку полюсы инертного железного ротора генератора реактивного сопротивления проходят мимо полюсов статора, изменяющееся сопротивление магнитной цепи генератора сопровождается соответствующим изменением индуктивности полюсов статора, что, в свою очередь, вызывает индукцию тока в обмотки статора. Следовательно, импульсная форма волны появляется на каждом полюсе статора. В многофазных машинах выходы каждой фазы поступают на преобразователь, который последовательно включает каждую фазу в линию постоянного тока для обеспечения напряжения постоянного тока.Система нуждается в измерении положения на валу ротора для контроля времени срабатывания переключателей преобразователя. Эти датчики положения также позволяют контролировать ток, изменяя углы включения и выключения выходного тока в зависимости от положения ротора. Как и в случае с генератором на постоянных магнитах, для обеспечения контроля над выходом также используются стабилизаторы напряжения.

    Машина, к сожалению, сама по себе не является самовосстанавливающейся, и для ее запуска были приняты различные методы, включая подачу постоянного тока возбуждения от резервной батареи через обмотки статора во время запуска или использование небольших постоянных магнитов, встроенных в некоторые полюсов ротора.

    • Характеристики
    • Компактный, прочный дизайн.

      Работа с переменной скоростью.

      Фазы генератора полностью независимы.

      Недорого в изготовлении.

      Поскольку они имеют простые инертные роторы без обмоток или встроенных магнитов, они могут работать с очень высокой скоростью и могут работать в условиях высокой температуры окружающей среды.

      Подходит для конструкций мощностью до мегаватт и скоростями более 50000 об / мин.

    • Приложения
    • Системы привода гибридных электромобилей (HEV), автомобильные стартеры, вспомогательные генераторы энергии для самолетов, ветрогенераторы, высокоскоростные газотурбинные генераторы.

      См. Также Интегрированный стартер-генератор

  • Индукционные генераторы
  • Асинхронные генераторы - это, по сути, асинхронные двигатели, которые работают немного выше синхронной скорости, связанной с частотой питания.См. Объяснение того, как асинхронные двигатели работают на странице AC Motors. Индукционные генераторы, однако, не имеют средств для создания или генерирования напряжения, если они не подключены к внешнему источнику возбуждения. Конструкция с короткозамкнутым ротором используется для выработки электроэнергии небольшого масштаба, поскольку она проста, надежна и недорога в производстве.

    Как и в случае с асинхронным двигателем, когда обмотки статора многофазного индукционного генератора подключены к сети переменного тока, под действием трансформатора напряжение подается на обмотки ротора или токопроводящие стержни короткозамкнутого ротора с частота этого индуцированного напряжения в роторе равна частоте приложенного напряжения статора.Когда отдельные обмотки ротора замыкаются накоротко или соединяются друг с другом через внешний импеданс (токопроводящие стержни короткозамкнутого ротора уже замкнуты вместе), через катушки протекает большой ток, создающий магнитное поле, которое по закону Ленца имеет полярность, противоположную полю статора. Это заставляет ротор вращаться, увлекаясь магнитным притяжением за вращающимся полем, создаваемым статором. Величина крутящего момента на роторе зависит от величины относительной скорости между вращающимся ротором и вращающимся полем, создаваемым статором, обычно называемым скольжением.Таким образом, ротор ускоряется в направлении синхронной скорости, заданной частотой сетки, достигая максимума, когда величина индуцированного тока и крутящего момента ротора уравновешивает приложенную нагрузку, в то же время частота токов, индуцируемых в роторе обмотки уменьшены, в соответствии с частотой скольжения. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше полученная относительная разность скоростей между каркасом ротора и полем вращающегося статора, или скольжением, и, таким образом, напряжение, индуцируемое в обмотке ротора.Когда ротор приближается к синхронной скорости, его крутящий момент уменьшается вместе с проскальзыванием, уменьшая ускорение, поскольку ослабляющего магнитного поля ротора недостаточно для преодоления потерь на трение ротора в режиме холостого хода. В результате ротор продолжает вращаться медленнее, чем синхронная скорость. Это означает, что в режиме двигателя асинхронная машина никогда не сможет достичь своей синхронной скорости, потому что на этой скорости не будет индуцироваться ток в беличьей клетке роторов, нет магнитного поля и, следовательно, нет крутящего момента.

    Однако в режиме генератора статор все еще подключен к сетке, обеспечивающей необходимое вращающееся поле, но вал ротора приводится в движение внешними средствами со скоростью, превышающей синхронную скорость, так что электромагнитные реакции обращаются вспять, так как ротор будет вращаться быстрее чем вращающееся магнитное поле статора, так что полярность скольжения меняется на противоположную, и полярность напряжения и тока, индуцированного в роторе, также изменяется на противоположную.В то же время под действием трансформатора ток в роторе будет индуцировать ток в катушках статора, который теперь подает выходную энергию генератора на нагрузку. Когда скорость ротора увеличивается выше синхронной скорости, индуцированное напряжение и ток в стержнях ротора и обмотках статора будут увеличиваться по мере того, как относительная скорость между ротором и полем вращения статора и, следовательно, скольжения увеличивается. Это, в свою очередь, потребует более высокого крутящего момента для поддержания вращения.

    Выходное напряжение генератора контролируется величиной тока возбуждения.

    Следующая диаграмма иллюстрирует характеристики многофазной индукционной машины, когда она сконфигурирована как двигатель или генератор.

    Поскольку ток ротора пропорционален относительному движению между полем вращения статора и скоростью ротора, известному как «скольжение», ток ротора и, следовательно, крутящий момент прямо пропорциональны скольжению в стабильной рабочей области вокруг синхронного Скорость машины и частота тока ротора совпадают с частотой скольжения.

    При синхронной скорости скольжение равно нулю, и электродвигатель не будет потреблять электричество или производить его. Хотя обе машины работают на скоростях в пределах нескольких процентов от синхронной скорости, они являются асинхронными машинами.

    Увеличение нагрузки на генератор снижает его скорость и, следовательно, его выходную частоту, в то время как увеличение крутящего момента на приводном валу увеличивает его частоту вращения и выходную частоту. Уменьшение нагрузки и крутящего момента приводят к обратному эффекту.

    • Индукционный генератор с фиксированной скоростью
    • Индукционные генераторы с фиксированной скоростью, подобные описанным выше, на самом деле работают в небольшом диапазоне скоростей, связанных с проскальзыванием генератора. Они получают свое возбуждение от электросети и могут работать только параллельно с этим источником. При использовании в сети они отлично подходят для возврата энергии в сеть, из которой они получают ток возбуждения, но бесполезны в качестве резервных генераторов, когда электрическая сеть выходит из строя.Их ограниченный диапазон скоростей ограничивает возможные применения.

    • с переменной скоростью - индукционный генератор с автоматическим возбуждением (SEIG)
    • Маломасштабные генерирующие электроэнергию системы довольно часто являются автономными приложениями, удаленными от электросети, и используют в качестве источника энергии широко колеблющиеся источники энергии, такие как энергия ветра и воды. Индукционный генератор с фиксированной скоростью не подходит для таких применений.Индукционные генераторы с переменной скоростью нуждаются в некоторой форме самовозбуждения, а также в преобразовании мощности, чтобы иметь возможность практического использования их нерегулируемого выходного напряжения и частоты.

      • Операция
      • Самовозбуждение достигается путем подключения конденсаторов через клеммы статора генератора. При возбуждении от внешнего первичного двигателя в катушках статора будет индуцироваться небольшой ток, так как поток из-за остаточного магнетизма в роторе обрезает обмотки, и этот ток заряжает конденсаторы.При вращении ротора поток, обрезающий обмотки статора, будет изменяться в противоположном направлении, когда ориентация остаточного магнитного поля поворачивается вместе с ротором. Индуцированный ток в этом случае будет в противоположном направлении и будет стремиться разрядить конденсаторы. В то же время заряд конденсаторов будет усиливать ток, увеличивая поток в машине. Поскольку ротор продолжает поворачивать наведенную ЭДС и ток в обмотках статора будет продолжать расти до устойчивое состояние достигается в зависимости от насыщения магнитопровода в машине.В этой операционной точке напряжение и ток будут продолжать колебаться при заданном Пиковое значение и частота определяются характеристиками машины, воздушным зазором, скольжением, нагрузкой и выбором размеров конденсаторов. Сочетание этих факторов устанавливает максимальные и минимальные пределы диапазона скоростей, в которых происходит самовозбуждение. скольжение по операциям, как правило, мало и изменение частоты зависит от рабочей скорости ассортимент.

        Если генератор перегружен, напряжение будет быстро разрушаться (см. диаграмму выше), обеспечивая меру встроенной самозащиты.

      • Контроль
      • При работе с переменной скоростью индукционному генератору необходим преобразователь частоты, чтобы адаптировать выходную частоту генератора к фиксированной частоте применения или электросети.Во время работы единственным управляемым фактором, доступным в индуктивном генераторе с самовозбуждением, который влияет на выход, является механический вход от первопроходца, поэтому система не поддается эффективному контролю обратной связи. Для обеспечения контролируемого выходного напряжения и частоты, внешний AC / DC / AC Требуются конвертеры. Трехфазный диодный мост используется для выпрямления выходного тока генератора, обеспечивая постоянную связь с трехфазным тиристорным инвертором, который преобразует энергию от Связь постоянного тока с требуемым напряжением и частотой.

      См. Также примеры и описание асинхронных индукционных генераторов с двойным питанием (DFIG) и линейного частотного контроля синхронного генератора с фиксированной скоростью, которые используются для обеспечения регулируемой частоты и выходного напряжения от переменного крутящего момента, приводов с переменной скоростью в применениях ветрогенераторов.

    Пульсация выходного напряжения может быть минимизирована с помощью многополюсных конструкций.

    Конструкция генератора постоянного тока очень похожа на конструкцию двигателя постоянного тока.

    Ротор состоит из электромагнита, обеспечивающего возбуждение поля. Ток на ротор поступает от статора или, в случае очень больших генераторов, от отдельного возбудителя, вращающегося на одном валу ротора. Соединение с ротором осуществляется через коммутатор, так что направление тока в обмотках статора меняет направление, когда полюса ротора проходят между чередующимися северными и южными полюсами статора.Ток ротора очень мал по сравнению с током в обмотках статора, и большая часть тепла рассеивается в более массивной структуре статора.

    В машинах с автоматическим возбуждением при запуске из состояния покоя ток для запуска работающих электромагнитов получается из-за небольшого остаточного магнетизма, который существует в электромагнитах и ​​окружающей магнитной цепи.

    Автомобильный генератор - это машина переменного тока с регулируемой скоростью, обеспечивающая постоянный уровень постоянного тока.

    Типичным генератором является машина переменного тока с автоматическим возбуждением.Используя генератор переменного тока, а не генератор постоянного тока, можно избежать использования коммутатора и его потенциальных проблем с надежностью. Однако постоянный ток необходим для всех нагрузок в автомобиле, включая аккумулятор, и, кроме того, выходное напряжение постоянного тока должно быть постоянным независимо от частоты вращения двигателя или текущей нагрузки. Поэтому система зарядки должна включать выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный и регулятор для поддержания генерируемого напряжения в проектных пределах, не зависящих от частоты вращения двигателя.

    Ротор приводится в движение двигателем и обеспечивает возбуждение поля. Его скорость напрямую связана с частотой вращения двигателя и зависит от передаточных чисел или шкивов, приводящих его в движение. Выходной ток снимается со статора.

    Автомобильные генераторы, как правило, представляют собой трехфазные машины, обеспечивающие компактную конструкцию и одновременно уменьшающие ток в обмотках статора, распределяя его между тремя наборами обмоток. Это также дает снижение потенциальной пульсации напряжения после выпрямления.


    Смотрите также


    avtovalik.ru © 2013-2020