Введение в двигатели переменного тока

После введения Эдисоном в США системы распределения электроэнергии постоянного тока начался постепенный переход к более экономичной системе переменного тока. Освещение работало как от переменного, так и от постоянного тока.

Передача электроэнергии осуществляется на большие расстояния с меньшими потерями с помощью переменного тока. Однако у двигателей была проблема с переменным током. Первоначально двигатели переменного тока были сконструированы как двигатели постоянного тока, но возникло множество проблем из-за изменения магнитных полей.

Схема семейства электродвигателей переменного тока

Чарльз П. Стейнмец внес свой вклад в решение этих проблем своим исследованием гистерезисных потерь в железной арматуре. Никола Тесла представил совершенно новый тип двигателя, когда он представил вращающуюся турбину, вращающуюся не водой или паром, а вращающимся магнитным полем.

Его новый тип двигателя, асинхронный двигатель переменного тока, по сей день является рабочей лошадкой в ​​отрасли. Его прочность и простота обеспечивают долгий срок службы, высокую надежность и низкие эксплуатационные расходы.

Тем не менее, небольшие щеточные электродвигатели переменного тока, аналогичные разнообразным электродвигателям постоянного тока, сохраняются в небольших приборах вместе с небольшими асинхронными электродвигателями Tesla. Выше одной лошадиных сил (750 Вт) царит мотор Tesla.

Современные твердотельные электронные схемы приводят в действие бесщеточные двигатели постоянного тока с формами переменного тока, генерируемыми от источника постоянного тока. Бесщеточный электродвигатель постоянного тока, фактически электродвигатель переменного тока, заменяет обычный щеточный электродвигатель постоянного тока во многих приложениях. И шаговый двигатель , цифровая версия двигателя, приводится в действие прямоугольными волнами переменного тока, опять же генерируемыми твердотельной схемой.

На рисунке выше показано генеалогическое древо двигателей переменного тока, описанных в этой главе.

Круизные лайнеры и другие крупные суда заменяют карданные валы с редукторами большими многомегаваттными генераторами и двигателями. Так было с тепловозами меньшего масштаба в течение многих лет.

Диаграмма уровня моторной системы

На системном уровне (рисунок выше) двигатель потребляет электрическую энергию в виде разности потенциалов и тока, преобразуя ее в механическую работу. К сожалению, электродвигатели не на 100% эффективны. Часть электроэнергии теряется на тепло, другой вид энергии, из-за потерь I2R (также называемых потерями в меди) в обмотках двигателя.

Тепло - нежелательный побочный продукт этого преобразования. Его необходимо снимать с двигателя, так как это может отрицательно сказаться на долговечности. Таким образом, одна из целей - максимизировать КПД двигателя, уменьшая тепловые потери. Двигатели переменного тока также имеют некоторые потери, с которыми не сталкиваются двигатели постоянного тока:гистерезис и вихревые токи.

Гистерезис и вихревые токи

Первые разработчики двигателей переменного тока столкнулись с проблемами, связанными с потерями, присущими только магнитам переменного тока. Эти проблемы возникли при адаптации двигателей постоянного тока к работе переменного тока. Хотя сегодня немногие двигатели переменного тока имеют какое-либо сходство с двигателями постоянного тока, эти проблемы необходимо было решить, прежде чем двигатели переменного тока любого типа могли быть должным образом спроектированы.

Сердечники как ротора, так и статора двигателей переменного тока состоят из пакета изолированных пластин. Пластины покрываются изоляционным лаком перед штабелированием и скреплением болтами до окончательной формы. Вихревые токи сводятся к минимуму за счет разбиения потенциальной проводящей петли на более мелкие сегменты с меньшими потерями. (Рисунок ниже)

Токовые петли выглядят как закороченные вторичные витки трансформатора. Тонкие изолированные пластинки разрывают эти петли. Кроме того, кремний (полупроводник), добавленный в сплав, используемый в пластинах, увеличивает электрическое сопротивление, что снижает величину вихревых токов.

Вихревые токи в железных сердечниках

Если пластинки изготовлены из стали с ориентированной зеренной структурой из кремниевого сплава, гистерезис потери сведены к минимуму. Магнитный гистерезис - это отставание напряженности магнитного поля по сравнению с силой намагничивания. Если гвоздь из мягкого железа временно намагничен соленоидом, можно ожидать, что гвоздь потеряет магнитное поле, как только соленоид будет обесточен. Однако небольшая остаточная намагниченность , B _R , из-за гистерезиса остается (рисунок ниже).

Переменный ток должен расходовать энергию, -H _C , коэрцитивная сила , в преодолении этой остаточной намагниченности до того, как он сможет намагнитить сердечник обратно до нуля, не говоря уже о противоположном направлении.

Потери на гистерезис возникают каждый раз, когда меняется полярность переменного тока. Потери пропорциональны площади, ограниченной петлей гистерезиса на кривой B-H. «Мягкие» сплавы железа имеют меньшие потери, чем «твердые» сплавы из высокоуглеродистой стали. Сталь с ориентированным зерном кремния, 4% кремния, прокатанная для преимущественной ориентации зерна или кристаллической структуры, имеет еще более низкие потери.

Кривые гистерезиса для сплавов с низкими и высокими потерями

Как только закон гистерезиса Штейнмеца смог предсказать потери в сердечнике в железе, стало возможным проектировать двигатели переменного тока, которые работали в соответствии с проектом. Это было похоже на возможность заранее спроектировать мост, который не обрушился бы после того, как его построили.

Эти знания о вихревых токах и гистерезисе были впервые применены для создания коллекторных двигателей переменного тока, аналогичных их аналогам постоянного тока. Сегодня это лишь небольшая категория двигателей переменного тока. Другие изобрели новые типы двигателей переменного тока, мало похожие на своих собратьев постоянного тока.