Конструкция многофазного двигателя

Двигатели переменного тока

Возможно, наиболее важным преимуществом многофазного переменного тока по сравнению с однофазным является конструкция и работа двигателей переменного тока.

Как мы изучили в первой главе этой книги, некоторые типы двигателей переменного тока практически идентичны по конструкции своим аналогам генератора (генератора), состоящим из неподвижных проволочных обмоток и узла вращающегося магнита. (Другие конструкции двигателей переменного тока не так просты, но мы оставим эти детали до другого урока).

Работа двигателя переменного тока по часовой стрелке

Если вращающийся магнит способен поддерживать частоту переменного тока, питающего обмотки (катушки) электромагнита, он будет продолжать вращаться по часовой стрелке. (Рисунок выше)

Однако вращение вала по часовой стрелке - не единственное допустимое направление вращения. С таким же успехом на него можно было бы подавать питание против часовой стрелки от той же формы волны переменного напряжения, что и на рисунке ниже.

Работа двигателя переменного тока против часовой стрелки

Запуск двигателей переменного тока

Обратите внимание, что при одинаковой последовательности циклов полярности (напряжение, ток и магнитные полюса, создаваемые катушками) магнитный ротор может вращаться в любом направлении.

Это общая черта всех однофазных «индукционных» и «синхронных» двигателей переменного тока:у них нет нормального или «правильного» направления вращения. Здесь должен возникнуть естественный вопрос:как можно запустить двигатель в заданном направлении, если он может работать в любом направлении?

Ответ заключается в том, что для запуска этих двигателей требуется небольшая помощь. Когда-то помогал крутить в определенном направлении. они будут продолжать вращаться таким образом, пока на обмотки подается питание переменного тока.

Откуда такая «помощь» для однофазного двигателя переменного тока при вращении в одном направлении, может варьироваться.

Обычно он исходит от дополнительного набора обмоток, расположенных иначе, чем основной набор, и на которые подается напряжение переменного тока, которое не совпадает по фазе с основным источником питания. (Рисунок ниже)

Двухфазный двигатель переменного тока с однонаправленным пуском

Эти дополнительные катушки обычно подключаются последовательно с конденсатором, чтобы ввести фазовый сдвиг в токе между двумя наборами обмоток. (Рисунок ниже)

Сдвиг фазы конденсатора добавляет вторую фазу.

Этот фазовый сдвиг создает магнитные поля от катушек 2a и 2b, которые в равной степени не совпадают с полями от катушек 1a и 1b.

В результате получается набор магнитных полей с определенным чередованием фаз. Именно это чередование фаз тянет вращающийся магнит в определенном направлении.

Запуск многофазных двигателей переменного тока

Многофазные двигатели переменного тока не требуют таких ухищрений, чтобы вращаться в определенном направлении. Поскольку формы их сигналов напряжения питания уже имеют определенную последовательность вращения, то же самое происходит и с соответствующими магнитными полями, создаваемыми неподвижными обмотками двигателя.

Фактически, сочетание всех трех наборов фазных обмоток, работающих вместе, создает то, что часто называют вращающимся магнитным полем . . Именно эта концепция вращающегося магнитного поля вдохновила Никола Тесла на разработку первых в мире многофазных электрических систем (просто для создания более простых и эффективных двигателей).

Позже были обнаружены линейный ток и преимущества многофазного питания по сравнению с однофазным питанием.

Аналогия с линейными гирляндами

То, что может сбивать с толку, становится более понятным с помощью аналогии.

Вы когда-нибудь видели ряд мигающих лампочек, которые используются в рождественских украшениях? Некоторые струны кажутся «движущимися» в определенном направлении, поскольку лампочки поочередно светятся и темнеют. Другие струны просто мигают без видимого движения. В чем разница между двумя типами лампочек?

Ответ:фазовый сдвиг!

Изучите цепочку огней, в которой в любой момент времени горит каждая другая лампочка, как показано на (рис. Ниже)

Последовательность фаз 1-2-1-2:кажется, что лампы движутся.

Когда все лампочки «1» горят, лампочки «2» темные, и наоборот. При такой последовательности мигания нет определенного «движения» для света лампочек.

Ваши глаза могут следить за «движением» слева направо так же легко, как и справа налево. Технически, последовательности мигания лампочек «1» и «2» сдвинуты по фазе на 180 ° (точно напротив друг друга).

Это аналог однофазного двигателя переменного тока, который может так же легко вращаться в любом направлении, но не может запускаться сам по себе, потому что в его магнитном поле отсутствует определенное «вращение».

Теперь давайте рассмотрим цепочку огней, в которой есть три набора лампочек, которые нужно включить последовательно, а не только два, и эти три набора одинаково не совпадают по фазе друг с другом на рисунке ниже.

Последовательность фаз:1-2-3:кажется, что лампочки движутся слева направо.

Если последовательность освещения 1-2-3 (последовательность показана на (Рисунок выше)), кажется, что лампы «двигаются» слева направо.

Аналогия с круговыми гирляндами

А теперь представьте себе эту мигающую цепочку лампочек, расположенных по кругу, как показано на рисунке ниже.

Круговое расположение; лампочки вращаются по часовой стрелке.

Теперь кажется, что источники света на рисунке выше «движутся» по часовой стрелке, потому что они расположены по кругу, а не по прямой линии.

Неудивительно, что движение изменится на противоположное, если последовательность фаз лампочек будет обратной.

Мигающий узор будет перемещаться по часовой стрелке или против часовой стрелки в зависимости от последовательности фаз.

Это аналогично трехфазному двигателю переменного тока с тремя наборами обмоток, запитываемых источниками напряжения с тремя различными фазами на рисунке ниже.

Трехфазный двигатель переменного тока:последовательность фаз 1-2-3 вращает магнит по часовой стрелке, 3-2-1 вращает магнит против часовой стрелки.

При фазовых сдвигах менее 180 ° мы получаем истинное вращение магнитного поля. В однофазных двигателях вращающееся магнитное поле, необходимое для самозапуска, должно создаваться посредством емкостного фазового сдвига. В многофазных двигателях необходимый фазовый сдвиг уже есть.

Кроме того, направление вращения вала многофазных двигателей очень легко изменить:просто поменяйте местами любые два «горячих» провода, идущих к двигателю, и он пойдет в противоположном направлении!

ОБЗОР:

• «Индукционные» и «синхронные» двигатели переменного тока работают за счет того, что вращающийся магнит следует за переменными магнитными полями, создаваемыми неподвижными проволочными обмотками.
• Однофазные двигатели переменного тока этого типа нуждаются в помощи, чтобы начать вращение в определенном направлении.
• Вводя фазовый сдвиг менее 180 ° в магнитные поля в таком двигателе, можно установить определенное направление вращения вала.
• В однофазных асинхронных двигателях часто используется вспомогательная обмотка, соединенная последовательно с конденсатором для создания необходимого фазового сдвига.
• Многофазные двигатели не нуждаются в таких мерах; их направление вращения определяется последовательностью фаз напряжения, от которого они питаются.
• Если поменять местами любые два «горячих» провода на многофазном двигателе переменного тока, то его чередование фаз изменится на противоположное, что приведет к изменению направления вращения его вала.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист по теории электродвигателей переменного тока
• Рабочий лист по многофазным энергосистемам