Проектирование многофазных двигателей переменного тока: основы и практические пусковые техники

Двигатели переменного тока

Многофазное питание переменного тока даёт явное преимущество в конструкции двигателей над однофазным: возможность создавать естественное вращающееся магнитное поле. Многие двигатели переменного тока — как асинхронные, так и синхронные — зеркалят конструкцию своих альтернаторных аналогов, имея стационарные обмотки, возбуждающие вращающуюся магнитную сборку. Существуют более сложные топологии, но базовый принцип остаётся прежним.

Работа двигателя переменного тока по часовой стрелке.

Если вращающийся магнит может 따라 частоту переменного тока, запитывающего статорные катушки, вал продолжает вращаться по часовой стрелке (см. рисунок). Однако та же форма переменного тока может также вращать двигатель против часовой стрелки, если последовательность магнитного поля обращена.

Работа двигателя переменного тока против часовой стрелки.

Пуск двигателей переменного тока

Однофазные асинхронные и синхронные двигатели не имеют заданного направления вращения; они будут крутиться в любую сторону при одной и той же волне напряжения. Для начала движения в конкретном направлении им требуется небольшая помощь.

Типичные решения включают вспомогательную обмотку, расположенную для создания фазово сдвинутого магнитного поля. При питании через конденсатор эта обмотка вводит запаздывание тока менее 180°, создавая магнитное поле, вращающееся в заданном направлении.

Однонаправленный пуск двухфазного двигателя переменного тока.

Фазовый сдвиг конденсатора добавляет вторую фазу.

Результирующие магнитные поля основной и вспомогательной обмоток вращаются в фиксированной последовательности, обеспечивая вращение ротора в желаемом направлении после пуска.

Пуск многофазных двигателей переменного тока

Многофазные двигатели обходят эту сложность. Их питающее напряжение уже содержит определённую фазовую последовательность (например, 1‑2‑3), которая напрямую переводится во вращающееся магнитное поле, создаваемое статорными обмотками. Эта концепция, заложенная в работах Никола Теслы 1887 года о многофазных системах, обеспечивает простую, эффективную работу двигателей.

Поскольку фазовая последовательность присуща питанию, направление вращения двигателя фиксировано. Обращение вращения так же просто, как перестановка любых двух линейных проводов.

Аналогия с линейной гирляндой

Для визуализации важности фазового сдвига рассмотрим ряд мигающих ламп. Если лампы типа 1 горят, пока тип 2 погас, и наоборот, видимого движения нет — последовательности сдвинуты на 180°.

Фазовая последовательность 1‑2‑1‑2: лампы кажутся движущимися.

В контрасте с трёхфазной последовательностью (1‑2‑3). Здесь лампы загораются последовательно по узору, создавая иллюзию движения вдоль гирлянды.

Фазовая последовательность: 1‑2‑3: лампы кажутся движущимися слева направо.

Аналогия с круговой гирляндой

Размещение той же последовательности по кругу создаёт визуальное вращение. Обращение фазового порядка меняет воспринимаемое направление движения.

Круговая компоновка; лампы кажутся вращающимися по часовой стрелке.

Точно так же трёхфазный двигатель переменного тока, запитанный последовательностью 1‑2‑3, вращается по часовой стрелке; смена порядка на 3‑2‑1 меняет вращение на против часовой стрелки.

Трёхфазный двигатель переменного тока: последовательность 1‑2‑3 крутит магнит по часовой стрелке, 3‑2‑1 — против.

Резюме

• Асинхронные и синхронные двигатели переменного тока опираются на вращающееся магнитное поле, создаваемое стационарными обмотками.
• Однофазные двигатели не имеют фиксированного направления вращения и нуждаются в фазовом сдвиге для надёжного пуска.
• Ёмкостный фазовый сдвиг во вспомогательных обмотках создаёт необходимую направленность.
• Многофазные двигатели естественно генерируют вращающееся поле; их вращение задаётся фазовой последовательностью питания.
• Перестановка любых двух линейных проводов на многофазном двигателе меняет его направление вращения.

Связанные рабочие листы

• AC Motor Theory Worksheet
• Polyphase Power Systems Worksheet