Основы и достижения технологии двигателей переменного тока

После того как Томас Эдисон развернул сеть распределения постоянного тока по всем США, промышленность постепенно перешла на более экономичную систему переменного тока, поскольку качество освещения при переменном токе сравнялось с постоянным.

Переменный ток оказался превосходным для дальней передачи энергии, снижая потери. Однако ранние попытки адаптировать конструкции двигателей постоянного тока для переменного тока столкнулись с трудностями, вызванными переменными во времени магнитными полями.

Семейство двигателей переменного тока

Чарльз Протеус Стайнмец решил эти проблемы, количественно определив потери гистерезиса в железных якорях, а Никола Тесла изобрел первый настоящий двигатель переменного тока — турбину, приводимую в движение вращающимся магнитным полем, а не паром или водой.

Асинхронный двигатель Теслы стал рабочей лошадкой промышленности, ценясь за надежность, простоту, долгий срок службы и минимальное обслуживание.

Коллекторные двигатели переменного тока — аналогичные своим собратьям на постоянном токе — продолжают находить применение в мелких бытовых приборах, в то время как индукционные двигатели Теслы доминируют в приложениях выше 1 л.с. (≈750 Вт).

Сегодня твердотельная электроника преобразует постоянный ток в формы волн переменного тока, которые приводят в движение бесколлекторные двигатели постоянного тока — по сути, двигатели переменного тока — вытесняя классические коллекторные конструкции во многих сферах. Аналогично, шаговые двигатели, цифровой производный, запитываются прямоугольными волнами переменного тока, генерируемыми электронным управлением.

Приведенная выше диаграмма отслеживает эволюцию семейств двигателей переменного тока, обсуждаемых в этой главе.

Крупные морские судна, такие как круизные лайнеры, и дизель-электровозы давно заменили зубчатые валы передачи на массивные генераторы и двигатели мощностью в несколько мегаватт.

Системная диаграмма двигателя

На системном уровне двигатель преобразует электрическую энергию — подаваемую напряжением и током — в механическую работу. Неэффективность возникает потому, что электрические двигатели никогда не достигают 100% КПД; часть входной мощности рассеивается в виде тепла через потери I²R (медные) в обмотках.

Это тепло должно быть эффективно удалено; чрезмерный термический нагрев может сократить срок службы двигателя. Следовательно, оптимизация КПД — минимизация тепловых потерь — имеет первостепенное значение. Двигатели переменного тока также сталкиваются с уникальными потерями, такими как гистерезис и вихревые токи, отсутствующие в машинах постоянного тока.

Гистерезис и вихревые токи

Ранние конструкторы двигателей переменного тока боролись с потерями, присущими чередующимся магнитным полям — проблемами, возникшими при применении концепций двигателей постоянного тока к переменному току. Хотя современные двигатели переменного тока значительно отличаются от аналогов постоянного тока, решение этих проблем было необходимым условием для их развития.

Магнитопроводы ротора и статора двигателей переменного тока состоят из ламинированных стальных листов, изолированных лаком. Такая конструкция прерывает проводимые контуры, тем самым подавляя вихревые токи (см. рисунок).

Эти тонкие изолированные ламинации напоминают изолированные вторичные витки трансформатора, предотвращая возникновение больших вихревых токов. Введение кремния в сплав дополнительно повышает удельное сопротивление, уменьшая величину вихревых токов.

Вихревые токи в железных сердечниках

Использование ламинаций из кремнисто-гранулярованной стали дополнительно снижает потери гистерезиса. Магнитный гистерезис проявляется как запаздывание магнитной индукции от приложенной магнетизирующей силы; даже после обесточивания сердечника из мягкого железа сохраняется остаточная намагниченность B_R (иллюстрируется ниже).

Когда цикл переменного тока меняет полярность, магнитное поле должно затратить энергию — коэрцитивную силу H_C — чтобы преодолеть эту остаточную намагниченность перед тем, как сердечник может быть размагничен или намагничен в противоположном направлении.

Потери гистерезиса возникают при каждом изменении полярности переменного тока и пропорциональны площади цикла гистерезиса B–H. Сплавы мягкого железа демонстрируют меньшие потери, чем твердые высокоуглеродистые стали; кремнисто-грануляционная сталь (≈4 % Si), прокаченная для выравнивания зерен, обеспечивает наименьшие потери.

Кривые гистерезиса для сплавов с низкими и высокими потерями

Закон гистерезиса Стайнмеца позволил точно предсказывать потери в сердечниках, давая инженерам возможность проектировать двигатели переменного тока, отвечающие ожиданиям по производительности — так же надежно, как заранее спроектированный мост, выдерживающий нагрузку.

Вооружившись пониманием вихревых токов и гистерезиса, ранние конструкторы сначала создали коллекторные двигатели переменного тока, похожие на машины постоянного тока. Сегодня такие конструкции являются нишевыми, в то время как большинство двигателей переменного тока — такие как индукционные, синхронные и бесколлекторные типы — принципиально отличаются от аналогов постоянного тока.