Зміст:
- Які бувають електричні двигуни
- Колекторні двигуни
- Асинхронні двигуни
- Синхронні двигуни
- Як працюють електричні двигуни та їх пристрій
- Асинхронні двигуни
- Робота синхронних двигунів
Двигуни електричні бувають синхронні, асинхронні і колекторними, причому у кожного є свої особливості роботи. Мінус в тому, що мережа інтернет дає вельми мізерні уявлення про відмінності в роботі і принципі дії. Ми можемо довго читати огляди про синхронні електродвигуни і не зрозуміти в результаті головного: нюансів! Чому на ГЕС використовуються саме такі генератори, а в побуті моторів щось не видно? Пристрій і принцип роботи електродвигуна змінного струму дають відповіді на цей і багато інших питань. Приступимо.
Які бувають електричні двигуни
Відразу скажемо, що ми не ставили своєю метою довести до уваги читачів абсолютно всю інформацію по вказаній темі. Замість цього будуть розглядатися випадки, котрі як-то опущені в літературі. Тобто інформація є, але якось систематизувати її досить складно. А тим більше зрозуміти, як саме функціонують ті чи інші види електродвигунів. Почнемо ми з простого перерахування.
Двигун колекторного типу
Колекторні двигуни
Їх часто плутають з синхронними. Напевно, тому що і там, і там часто виявляються щітки з вугілля. Але на цьому схожість закінчується, частота обертання колекторних двигунів змінюється в широких межах, що кожен може побачити на прикладі своєї пральної машини. Зазвичай управління швидкістю здійснюється шляхом комутації обмоток, або підстроюванням значення діючої напруги (змінюється кут відсічення вольтажу промислової частоти). (Див. також: Пристрій і принцип роботи електродвигуна постійного струму)
Головною відмінністю цих пристроїв є наявність колектора. Це своєрідна секційна конструкція, насаджена на вал. Вона складається з безлічі котушок, рівномірно йдуть по колу. Колектор потрібен для послідовної їх комутації так, щоб поле поступово рухалося навколо валу. В результаті, чіпляючись за статор, ротор починає свій рух.
До недоліків колекторних двигунів відносять їх крихкість, але це тільки для промисловості: у побуті даний тип пристроїв є домінуючим. Зате дуже просто здійснюється регулювання швидкості (відсіченням частини періоду синусоїди). Є у колекторних двигунів та інші мінуси і плюси, але ми вже згадували раніше, а зараз зосередимося на особливостях. І в нашому випадку нею є наявність на валу цього самого секційного барабана.
А можна поставити замість нього магніт і обертати поле статора? Так, але це вже буде синхронний двигун. А можна живити обмотку постійним струмом, а обертати поле статора? Так, і це знову буде синхронний двигун. Ви бачите, хто колектор однозначно дає нам зрозуміти, що саме перед нами за тип пристроїв.
Асинхронні двигуни
Часто застосовуються в промисловості. В цьому випадку ми отримуємо простоту конструкції і купу різних булочок. Зокрема, ударостійкість і віброміцність: немає вугільних щіток – немає і проблем. Замість цього виходить ціла кіпа конструкцій. Саме це сімейство в цьому плані найчисленніше.
Асинхронний двигун
По-перше, ротор. Він може бути короткозамкнутим або фазним. Перше означає, що у нас насаджена на вал якась конструкція (для зменшення ваги вона з силуміну), де вставлені прожилки міді. І все це закорочено по периметру двома кільцями. Виходить такий барабан, який іноді називають білячою кліткою.
В ньому виникає поле обертається під дією ЕРС статора, тому на відміну від колекторних запуск асинхронних двигунів постійного струму не проводиться. Але це вторинне відмінність. А первинне ми назвали: якщо до ротору не підходять якісь контакти, а на валу біляча клітка, то висновок про належність однозначний. Що стосується фазних асинхронних машин, то в цьому випадку живлення котушок ротора здійснюється через струмознімні кільця. За рахунок цього вал підхоплюється і поступово набирає обертів. (Див. також: Пристрій і принцип роботи генератора змінного струму)
Синхронні двигуни
Той самий тип пристроїв, скласти поняття про яких по замітках з мережі просто неможливо. Відмінність в тому, що тут поле настільки сильне, що захоплюється без проблем і не прослизає, як у випадку з асинхронними або колекторними двигунами. Це забезпечується постійним полем. Зазвичай обмотка збудження знаходиться на роторі. А на статор подається змінна напруга потрібної частоти.
Швидкість обертання залежить від частоти мережі живлення. Зазвичай полюсів тільки два, тому становить 25 Гц (1500 об/хв). Це одна з рис, за якою можна припустити, що перед нами синхронні двигуни — кратне, ціле число. Однак ключовим є саме збіг швидкості обертання валу і частоти напруги живлення. Строго кажучи, багато ще залежить від кількості полюсів. Наприклад, на ГЕС генератори працюють на частоті валу порядку 1-2 Гц, а промислові 50 Гц виходять за рахунок численних котушок статора, з’єднаних паралельно.
Як працюють електричні двигуни та їх пристрій
Асинхронні двигуни
Ми коротенько описали зовнішні відмінності електричних двигунів, а тепер пара слів з приводу того, як вони влаштовані і функціонують. Асинхронні двигуни за допомогою статора створюють по осі обертове магнітне поле. У зв’язку з цим барабан для білячої клітки дуже рідко виготовляється з феромагнітних матеріалів (якщо така взагалі має місце бути). В іншому випадку нагрів був би вельми значним. Фактично у нас виходить індукційна піч.
Замість цього барабан з силуміну вздовж ліній магнітного поля містить провідники з міді. Різниця в провідності така, що навіть не проводиться ніякої ізоляції: весь струм тече по червоно-коричневим жилах. Нюанс в тому, що поле індукованої на статорі ЕРС дуже слабке. Ось чому застосовуються спеціальні заходи, щоб розігнати вал. В іншому випадку магнітне поле ротора не чіпляється, і асинхронний двигун стоїть на місці. Одна із заходів для протидії такій проблемі полягає у тому, що біляча клітка створюється подвійний: в глибині барабан проходить уздовж осі на деякій глибині ще один ряд мідних жил. Вони також об’єднані по торцях в єдину мережу.
В результаті на запуску, коли струм по частоті великий, як і глибина проникнення поля. В результаті включаються в роботу обидва шару білячої клітки. У міру розгону різниця нівелюється, падає майже до нуля. Амплітуда поля знижується, робітником залишається тільки зовнішній шар білячої клітки. Зверніть увагу, що наздогнати поле ротор не може в принципі, він прослизає і запізнюється. Саме тому двигуни і отримали назву асинхронних.
Якби поле повертався з такою ж швидкістю, як і ротор, то ЕРС перестала б наводитися. За цим послідувало б уповільнення, і все повернулося на круги своя. І ротор раніше буде відставати від поля. Так працює пристрій короткозамкненого типу. Фазний ротор живиться електрикою через кільце струмознімачів. В цьому випадку значення обмоток змінюється. Тепер ротор отримує фазу та наводить на статорі ЕРС. Поступово вал підхоплюється полем, а весь подальший процес описано вище.
Це і є принцип дії асинхронних двигунів. Суть в тому, що зазвичай використовується тільки наведена ЕРС, за рахунок чого швидкість обертання в принципі не може наздогнати полі. Як вже було сказано, в цьому випадку зникають струми. Для регулювання швидкості зазвичай використовується амплітуда напруги. Цей спосіб годиться для двигунів асинхронного типу і з короткозамкненим, і з фазним ротором. Є й інші методики:
Робота двигуна змінного струму
- Для машин з короткозамкненим ротором годяться:
- Регулювання частоти напруги живлення.
- Зміна числа пар полюсів статора. В результаті змінюється швидкість обертання поля, що і дає потрібний ефект.
- Для машин з фазним ротором допускається:
- Вводити реостат в ланцюг живлення. За рахунок цього зростають втрати на ковзання, що закономірно змінює швидкість.
- Застосовувати спеціальні вентилі. Суть тут у тому, що енергія ковзання випрямляється за схемою Ларіонова, після чого подається у вигляді постійної напруги на допоміжний електричний двигун, або служить для нарізки імпульсів через керовані ззовні тиристори. В обох випадках потужність, яка зазвичай губилася б, повертається. Через вал допоміжного двигуна або трансформатор, обмотки якого частково включені в мережу живлення. Управління швидкістю проводиться впровадженням у цю ланцюг додаткової ЕРС. Це робиться або безпосередньо (через джерело живлення), або зрушенням кута вмикання тиристорів відносно харчування. У тому і іншому випадку частота незначно відхиляється від номіналу.
- Двигун подвійного живлення є одним з варіантів реалізації регулювання швидкості в обладнанні з фазним ротором. Саме цей тип найчастіше застосовується для реалізації схем генераторів. Але ротор спливає по частоті обертання – не потрібно забувати, що двигун все-таки асинхронний. Суть в тому, що статор і ротор харчуються окремо. Це дозволяє для кожної обмотки ставити свою частоту, що закономірно призводить до потрібних змін у швидкості.
Ну, і для всіх випадків з асинхронними двигунами годиться зміна амплітуди харчування. Потрібно сказати, що найбільшим ККД мають вентильні схеми, і вони ж самі дорогі.
Двигун синхронного типу
Робота синхронних двигунів
Ми вже не раз проходили по колекторних двигунів – навіть розповідали, як їх конструювати – тому пропускаємо сьогодні це сімейство взагалі. Інакше не встигнемо розповісти про речі набагато більш цікавих, на предмет яких ведеться багато суперечок на форумах. Ми збираємося розглянути не зовсім синхронні двигуни, а швидше генератора. Зразок тих, що стоять на ГЕС.
Ви ніколи не замислювалися, як регулюється швидкість обертання турбіни, коли на лопать падає потік води? Стулками направляючого апарату? Немає. Генератор вимагає підживлення не тільки постійним струмом, але і змінним. Перше подається на ротор, а друге – на статор. В результаті вал не міг би навіть стронуться з місця, але йому допомагає вода. А ось енергія гальмування потоку вже перетворюється в ЕРС робочих котушок статора, намотаних поруч з допоміжними.
Фактично ми маємо на руках пристрій електродвигуна змінного струму, але тільки серед його обмоток велика частина генеруючих, з яких знімається частота 50 Гц. Синхронність забезпечується живильними напругами. Якщо вода занадто напирає, струм збудження зростає, і за рахунок цього зрив обертів не спостерігається. Натомість зростає вихідна потужність електростанції. Частота визначає характеристики знімання напруги, а в ньому відносно номіналу 50 Гц не допускаються відхилення більше часток одного відсотка.
Сам вал обертається зі швидкістю 1-2 обороту в секунду. А за рахунок численних генераторних обмоток, з’єднаних паралельно, утворюється потрібна форма синусоїди. Наголошуємо, що частота підтримується напругою збудження, отже, саме до нього пред’являються підвищені вимоги. Якщо потрібно отримати більше потужності від електростанції, то просто заслінки направляючого апарату відкриваються, і вся маса води починає падати вниз. Лопать при цьому швидше не рухається, але збільшується струм збудження, що закономірно призводить до виникнення більш сильних полів.
Ну, а принцип дії електродвигуна змінного струму в точності такий же, тільки немає генераторних обмоток. Якщо потрібно отримати більше потужності, збільште напруга збудження і амплітуду по ланцюгу живлення. Цим посилюється зчеплення полів, що виключає прослизання. Зрозуміло, що велика маса вала не завжди може набрати за мить 50 Гц, але якщо обладнання виготовлено правильно, то за короткий період обороти виходять на режим. А швидкість залежить від кількості полюсів.
Ми не встигли сьогодні розглянути технічні характеристики електродвигунів змінного струму, але не раз і не два ми це робили вже стосовно різного роду пристроїв. Вважаємо, що в майбутньому наші огляди можуть знову повернутися до цієї теми бушпритом.