Асинхронный двигатель

Тип электродвигателя переменного тока

Трехфазный полностью закрытый асинхронный двигатель с вентиляторным охлаждением ( TEFC ) с торцевой крышкой слева и без торцевой крышки, чтобы показать вентилятор охлаждения справа. В двигателях TEFC внутренние потери тепла рассеиваются косвенно через ребра корпуса, в основном за счет принудительной конвекции воздуха.

Вид в разрезе через статор асинхронного двигателя TEFC , показывающий ротор с внутренними лопастями циркуляции воздуха. Многие такие двигатели имеют симметричный якорь, и рама может быть перевернута, чтобы разместить коробку электрических соединений (не показана) на противоположной стороне.

Асинхронный двигатель или асинхронный двигатель — это электродвигатель переменного тока , в котором электрический ток в роторе , создающий крутящий момент, получается за счет электромагнитной индукции из магнитного поля обмотки статора . [ ^1] Поэтому асинхронный двигатель не нуждается в электрических соединениях с ротором. ^[a] Ротор асинхронного двигателя может быть либо намоточного типа , либо с короткозамкнутым ротором.

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором широко используются в качестве промышленных приводов, поскольку они самозапускаются, надежны и экономичны. Однофазные асинхронные двигатели широко используются для небольших нагрузок, таких как мусоропроводы и стационарные электроинструменты. Хотя традиционно они используются для работы с постоянной скоростью, однофазные и трехфазные асинхронные двигатели все чаще устанавливаются в приложениях с переменной скоростью с использованием частотно-регулируемых приводов (ЧРП). ЧРП предлагает возможности экономии энергии для асинхронных двигателей в таких приложениях, как вентиляторы, насосы и компрессоры с переменной нагрузкой.

История

Модель первого индукционного двигателя Николы Теслы в Музее Теслы в Белграде, Сербия

Конструкция короткозамкнутого ротора, показаны только три центральных пластины

В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей , названных вращениями Араго . Вручную включая и выключая переключатели, Уолтер Бейли продемонстрировал это в 1879 году, фактически создав первый примитивный индукционный двигатель. ^{[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]}

Первый однофазный асинхронный двигатель переменного тока без коллектора был изобретен венгерским инженером Отто Блати ; он использовал однофазный двигатель для приведения в движение своего изобретения — счетчика электроэнергии . ^{[9] [10]}

Первые многофазные асинхронные двигатели переменного тока без коллектора были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой , причем работающая модель двигателя была продемонстрирована первым в 1885 году, а вторым — в 1887 году. Тесла подал заявки на патенты США в октябре и ноябре 1887 года и получил некоторые из этих патентов в мае 1888 года. В апреле 1888 года Королевская академия наук Турина опубликовала исследование Феррариса о его многофазном двигателе переменного тока, в котором подробно излагались основы работы двигателя. ^{[5] [11]} В мае 1888 года Тесла представил Американскому институту инженеров-электриков (AIEE) технический документ «Новая система двигателей и трансформаторов переменного тока » ^{[12] [13] [14] [15] [16],} в котором описывались три типа двигателей с четырьмя полюсами статора: один с четырехполюсным ротором, образующим несамозапускающийся реактивный двигатель , другой с фазным ротором, образующим самозапускающийся асинхронный двигатель, а третий — настоящий синхронный двигатель с отдельно возбуждаемым источником постоянного тока на обмотку ротора.

Джордж Вестингауз , который в то время разрабатывал систему питания переменного тока , лицензировал патенты Теслы в 1888 году и приобрел опцион на патент США на концепцию индукционного двигателя Феррари. ^[17] Тесла также работал консультантом в течение одного года. Сотрудник Вестингауза К. Ф. Скотт был назначен помогать Тесле и позже взял на себя разработку индукционного двигателя в Вестингаузе. ^{[12] [18] [19] [20]} Непреклонный в своем продвижении трехфазного развития, Михаил Доливо-Добровольский изобрел индукционный двигатель с короткозамкнутым ротором в 1889 году и трехстержневой трансформатор в 1890 году. ^{[21] [22]} Кроме того, он утверждал, что двигатель Теслы непрактичен из-за двухфазных пульсаций, что побудило его упорствовать в своей трехфазной работе. ^[23] Хотя Вестингауз создал свой первый практически применимый асинхронный двигатель в 1892 году и разработал линейку многофазных асинхронных двигателей частотой 60 Гц в 1893 году, эти ранние двигатели Вестингауза были двухфазными двигателями с фазными роторами, пока Б. Г. Ламме не разработал ротор с вращающейся стержневой обмоткой. ^[12]

Компания General Electric (GE) начала разрабатывать трехфазные асинхронные двигатели в 1891 году. ^[12] К 1896 году компании General Electric и Westinghouse подписали соглашение о перекрестном лицензировании для конструкции ротора со стержневой обмоткой, позже названной ротором с короткозамкнутым ротором. ^[12] Артур Э. Кеннелли был первым, кто выявил полное значение комплексных чисел (используя j для представления квадратного корня из минус единицы) для обозначения оператора поворота на 90º при анализе проблем переменного тока. ^[24] Чарльз Протеус Штейнмец из GE улучшил применение комплексных величин переменного тока и разработал аналитическую модель, названную эквивалентной схемой Штейнмеца для асинхронного двигателя. ^{[12] [25] [26] [27]}

Усовершенствования асинхронных двигателей, вытекающие из этих изобретений и инноваций, были таковы, что современный асинхронный двигатель мощностью 100 лошадиных сил имеет те же монтажные размеры, что и двигатель мощностью 7,5 лошадиных сил в 1897 году. ^[12]

Принцип

3-фазный двигатель

Трехфазный источник питания обеспечивает вращающееся магнитное поле в асинхронном двигателе.

Собственное скольжение – неравная частота вращения поля статора и ротора

Как в асинхронных, так и в синхронных двигателях , переменный ток, подаваемый на статор двигателя, создает магнитное поле , которое вращается синхронно с колебаниями переменного тока. В то время как ротор синхронного двигателя вращается с той же скоростью, что и поле статора, ротор асинхронного двигателя вращается с несколько меньшей скоростью, чем поле статора. Магнитное поле статора асинхронного двигателя, таким образом, изменяется или вращается относительно ротора. Это индуцирует противоположный ток в роторе, по сути, во вторичной обмотке двигателя. ^[28] Вращающийся магнитный поток индуцирует токи в обмотках ротора, ^[29] аналогично токам, индуцируемым во вторичной обмотке(ах) трансформатора .

Индуцированные токи в обмотках ротора, в свою очередь, создают магнитные поля в роторе, которые реагируют против поля статора. Направление магнитного поля ротора противодействует изменению тока через обмотки ротора, следуя закону Ленца . Причиной индуцированного тока в обмотках ротора является вращающееся магнитное поле статора, поэтому, чтобы противодействовать изменению токов обмотки ротора, ротор вращается в направлении магнитного поля статора. Ротор ускоряется до тех пор, пока величина индуцированного тока ротора и крутящего момента не уравновесит нагрузку на ротор. Поскольку вращение с синхронной скоростью не индуцирует ток ротора, асинхронный двигатель всегда работает немного медленнее, чем с синхронной скоростью. Разница, или «скольжение», между фактической и синхронной скоростью варьируется от примерно 0,5% до 5,0% для стандартных асинхронных двигателей с кривой крутящего момента конструкции B. ^[30] Основной характеристикой асинхронного двигателя является то, что крутящий момент создается исключительно за счет индукции, а не за счет отдельного возбуждения ротора, как в синхронных или постоянных магнитных двигателях, или самонамагничивания ротора, как в двигателях с постоянными магнитами . ^[28]

Для того, чтобы токи ротора были индуцированы, скорость физического ротора должна быть ниже скорости вращающегося магнитного поля статора ( ); в противном случае магнитное поле не будет двигаться относительно проводников ротора и токи не будут индуцированы. Когда скорость ротора падает ниже синхронной скорости, скорость вращения магнитного поля в роторе увеличивается, индуцируя больше тока в обмотках и создавая больше крутящего момента. Соотношение между скоростью вращения магнитного поля, индуцированного в роторе, и скоростью вращения вращающегося поля статора называется «скольжением». Под нагрузкой скорость падает, а скольжение увеличивается достаточно, чтобы создать достаточный крутящий момент для поворота нагрузки. По этой причине асинхронные двигатели иногда называют «асинхронными двигателями». ^[31] ${\displaystyle n_{s}}$

Асинхронный двигатель может использоваться как асинхронный генератор , или его можно развернуть, чтобы сформировать линейный асинхронный двигатель , который может напрямую генерировать линейное движение. Режим генерации для асинхронных двигателей осложняется необходимостью возбуждения ротора, который начинается только с остаточной намагниченности. В некоторых случаях этой остаточной намагниченности достаточно для самовозбуждения двигателя под нагрузкой. Поэтому необходимо либо отключить двигатель и кратковременно подключить его к работающей сети, либо добавить конденсаторы, изначально заряженные остаточной намагниченностью и обеспечивающие требуемую реактивную мощность во время работы. Подобным образом работает асинхронный двигатель параллельно с синхронным двигателем, служащим компенсатором коэффициента мощности. Особенностью режима генератора параллельно сети является то, что скорость ротора выше, чем в режиме движения. Тогда активная энергия отдается в сеть. ^[2] Другим недостатком асинхронного двигателя-генератора является то, что он потребляет значительный ток намагничивания I ₀ = (20–35)%.

Синхронная скорость

Синхронная скорость двигателя переменного тока, , представляет собой скорость вращения магнитного поля статора, ${\displaystyle f_{s}}$

${\displaystyle f_{s}={2f \over p}}$,

где - частота источника питания, - число магнитных полюсов, - синхронная скорость машины. Для в герцах и синхронной скорости в об/мин формула становится: ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle f_{s}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle n_{s}}$

${\displaystyle n_{s}={2f \over p}\cdot \left({\frac {60\ \mathrm {seconds} }{\mathrm {minute} }}\right)={120f \over {p}}\cdot \left({\frac {\mathrm {seconds} }{\mathrm {minute} }}\right)}$. ^{[32] [33]}

Например, для четырехполюсного трехфазного двигателя = 4 и = 1500 об/мин (для = 50 Гц) и 1800 об/мин (для = 60 Гц) синхронная скорость. ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle n_{s}={120f \over 4}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle f}$

Число магнитных полюсов, , — это число северных и южных полюсов на фазу. Например, однофазный двигатель с 3 северными и 3 южными полюсами, имеющий 6 полюсов на фазу, является 6-полюсным двигателем. Трехфазный двигатель с 18 северными и 18 южными полюсами, имеющий 6 полюсов на фазу, также является 6-полюсным двигателем. Этот стандартный для отрасли метод подсчета полюсов приводит к одинаковой синхронной скорости для заданной частоты независимо от полярности. ${\displaystyle p}$

Соскальзывать

Типичная кривая крутящего момента как функция скольжения, обозначенная здесь как «g»

Скольжение, , определяется как разница между синхронной скоростью и рабочей скоростью, на той же частоте, выраженная в об/мин или в процентах или соотношении синхронной скорости. Таким образом ${\displaystyle s}$

${\displaystyle s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,}$

где - электрическая скорость статора, - механическая скорость ротора. ^{[34] [35]} Скольжение, которое изменяется от нуля при синхронной скорости и 1 при остановке ротора, определяет крутящий момент двигателя. Поскольку короткозамкнутые обмотки ротора имеют малое сопротивление, даже небольшое скольжение индуцирует большой ток в роторе и создает значительный крутящий момент. ^[36] При полной номинальной нагрузке скольжение изменяется от более 5% для небольших или специальных двигателей до менее 1% для больших двигателей. ^[37] Эти изменения скорости могут вызвать проблемы распределения нагрузки, когда двигатели разного размера механически соединены. ^[37] Существуют различные методы уменьшения скольжения, часто наилучшим решением являются частотно-регулируемые приводы. ^[37] ${\displaystyle n_{s}}$ ${\displaystyle n_{r}}$

Крутящий момент

Стандартный крутящий момент

Кривые зависимости скорости от крутящего момента для четырех типов асинхронных двигателей: A) однофазный, B) многофазный с клеткой, C) многофазный с глубокой клеткой, D) многофазный с двойной клеткой

Типичная кривая зависимости скорости от крутящего момента для двигателя NEMA Design B

Переходное решение для асинхронного двигателя переменного тока от полной остановки до рабочей точки при переменной нагрузке

Типичное соотношение скорости и крутящего момента стандартного многофазного индукционного двигателя NEMA Design B показано на кривой справа. Подходящие для большинства низкопроизводительных нагрузок, таких как центробежные насосы и вентиляторы, двигатели Design B ограничены следующими типичными диапазонами крутящего момента: ^{[30] [b]}

• Крутящий момент (пиковый крутящий момент), 175–300% от номинального крутящего момента
• Крутящий момент при заторможенном роторе (крутящий момент при 100% скольжении), 75–275% от номинального крутящего момента
• Крутящий момент подъема составляет 65–190% от номинального крутящего момента.

В нормальном диапазоне нагрузки двигателя наклон крутящего момента приблизительно линеен или пропорционален скольжению, поскольку значение сопротивления ротора, деленное на скольжение, , доминирует над крутящим моментом линейно. ^[38] По мере увеличения нагрузки выше номинальной нагрузки, коэффициенты реактивного сопротивления статора и ротора постепенно становятся более значимыми по отношению к так, что крутящий момент постепенно изгибается в сторону момента срыва. По мере того, как момент нагрузки превышает момент срыва, двигатель глохнет. ${\displaystyle R_{r}'/s}$ ${\displaystyle R_{r}'/s}$

Начиная

Существует три основных типа малых асинхронных двигателей: однофазные с расщепленными фазами, однофазные с экранированными полюсами и многофазные.

В двухполюсных однофазных двигателях крутящий момент падает до нуля при 100% скольжении (нулевая скорость), поэтому для них требуются изменения в статоре, такие как экранированные полюса, чтобы обеспечить пусковой момент. Однофазный асинхронный двигатель требует отдельной пусковой схемы для обеспечения вращающегося поля для двигателя. Нормальные рабочие обмотки в таком однофазном двигателе могут заставить ротор вращаться в любом направлении, поэтому пусковая схема определяет рабочее направление.

Магнитный поток в двигателе с экранированными полюсами

В некоторых небольших однофазных двигателях запуск осуществляется посредством витка медной проволоки вокруг части полюса; такой полюс называется затененным полюсом. Ток, индуцированный в этом витке, отстает от тока питания, создавая задержанное магнитное поле вокруг затененной части полюсной поверхности. Это придает достаточно энергии вращающегося поля для запуска двигателя. Такие двигатели обычно используются в таких приложениях, как настольные вентиляторы и проигрыватели пластинок, поскольку требуемый пусковой момент низок, а низкая эффективность терпима по сравнению с уменьшенной стоимостью двигателя и метода запуска по сравнению с другими конструкциями двигателей переменного тока.

Более крупные однофазные двигатели являются двигателями с расщепленной фазой и имеют вторую обмотку статора, питаемую несинфазным током; такие токи могут быть созданы путем подачи обмотки через конденсатор или получения ею различных значений индуктивности и сопротивления от основной обмотки. В конструкциях с конденсаторным пуском вторая обмотка отключается, как только двигатель набирает скорость, обычно либо с помощью центробежного переключателя, действующего на грузы на валу двигателя, либо с помощью термистора , который нагревается и увеличивает свое сопротивление, снижая ток через вторую обмотку до незначительного уровня. Конструкции с конденсаторным пуском поддерживают вторую обмотку включенной во время работы, улучшая крутящий момент. Конструкция с резистивным пуском использует стартер, включенный последовательно с пусковой обмоткой, создавая реактивное сопротивление.

Самозапускающиеся многофазные асинхронные двигатели создают крутящий момент даже в состоянии покоя. Доступные методы запуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором включают прямой запуск, запуск реактора пониженного напряжения или автотрансформатора, запуск звезда-треугольник или, все чаще, новые твердотельные мягкие сборки и, конечно, частотно-регулируемые приводы (VFD). ^[39]

Многофазные двигатели имеют стержни ротора, имеющие форму, обеспечивающую различные характеристики скорости и крутящего момента. Распределение тока в стержнях ротора зависит от частоты индуцированного тока. В состоянии покоя ток ротора имеет ту же частоту, что и ток статора, и имеет тенденцию проходить по самым внешним частям стержней ротора с клеткой (из-за скин-эффекта ). Различные формы стержней могут давать полезные различные характеристики скорости и крутящего момента, а также некоторый контроль над пусковым током при запуске.

Хотя многофазные двигатели изначально являются самозапускающимися, их расчетные пределы пускового и подтягивающего крутящего момента должны быть достаточно высокими, чтобы преодолеть реальные условия нагрузки.

В двигателях с фазным ротором подключение роторной цепи через контактные кольца к внешним сопротивлениям позволяет изменять характеристики скорости и крутящего момента для целей управления ускорением и скоростью.

Контроль скорости

Сопротивление

Типичные кривые зависимости скорости от крутящего момента для различных входных частот двигателя, например, используемых с частотно-регулируемыми приводами

До развития полупроводниковой силовой электроники было трудно изменять частоту, и асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором в основном использовались в приложениях с фиксированной скоростью. Такие приложения, как электрические мостовые краны, использовали приводы постоянного тока или двигатели с фазным ротором (WRIM) с контактными кольцами для подключения цепи ротора к переменному внешнему сопротивлению, что позволяло значительно регулировать скорость. Однако потери на резисторах, связанные с работой WRIM на низкой скорости, являются основным недостатком стоимости, особенно при постоянных нагрузках. ^[40] Большие приводы двигателей с контактными кольцами, называемые системами рекуперации энергии скольжения, некоторые из которых все еще используются, рекуперируют энергию из цепи ротора, выпрямляют ее и возвращают в энергосистему с помощью VFD.

Каскад

Скорость пары двигателей с контактными кольцами может контролироваться каскадным соединением или конкатенацией. Ротор одного двигателя соединен со статором другого. ^{[ требуется цитата ]} Если два двигателя также механически соединены, они будут работать на половинной скорости. Эта система когда-то широко использовалась в трехфазных железнодорожных локомотивах переменного тока, таких как FS Class E.333 . Однако к началу этого столетия такие каскадные электромеханические системы стали гораздо более эффективными и экономичными, решенными с использованием решений на основе силовых полупроводниковых элементов. ^[41]

Частотно-регулируемый привод

Во многих промышленных приложениях с переменной скоростью приводы постоянного тока и WRIM заменяются асинхронными двигателями с питанием от VFD. Наиболее распространенным эффективным способом управления скоростью асинхронного двигателя многих нагрузок является использование VFD. Препятствия к внедрению VFD из-за соображений стоимости и надежности значительно снизились за последние три десятилетия, так что, по оценкам, приводная технология внедрена в 30–40% всех новых установленных двигателей. ^[42]

Частотно-регулируемые приводы реализуют скалярное или векторное управление асинхронным двигателем.

При скалярном управлении контролируются только величина и частота напряжения питания без фазового управления (отсутствует обратная связь по положению ротора). Скалярное управление подходит для приложений, где нагрузка постоянна.

Вектор управления позволяет независимо управлять скоростью и крутящим моментом двигателя, что позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся крутящем моменте нагрузки. Но векторное управление более затратно из-за стоимости датчика (не всегда) и необходимости в более мощном контроллере. ^[43]

Строительство

Типичная схема обмотки для трехфазного (U, W, V) четырехполюсного двигателя. Обратите внимание на чередование полюсных обмоток и результирующее квадрупольное поле .

Статор асинхронного двигателя состоит из полюсов, по которым течет ток питания, чтобы индуцировать магнитное поле, которое проникает в ротор. Для оптимизации распределения магнитного поля обмотки распределяются в пазах вокруг статора, при этом магнитное поле имеет одинаковое количество северных и южных полюсов. Асинхронные двигатели чаще всего работают от однофазного или трехфазного питания, но существуют и двухфазные двигатели; теоретически асинхронные двигатели могут иметь любое количество фаз. Многие однофазные двигатели с двумя обмотками можно рассматривать как двухфазные двигатели, поскольку конденсатор используется для генерации второй фазы питания под углом 90° от однофазного питания и подает ее на вторую обмотку двигателя. Однофазным двигателям требуется некоторый механизм для создания вращающегося поля при запуске. Асинхронные двигатели, использующие обмотку с короткозамкнутым ротором, могут иметь слегка скошенные стержни ротора для сглаживания крутящего момента при каждом обороте.

Стандартизированные размеры рамы двигателя NEMA и IEC во всей отрасли приводят к взаимозаменяемым размерам для вала, крепления лап, общих аспектов, а также определенного аспекта фланца двигателя. Поскольку открытая, защищенная от капель (ODP) конструкция двигателя обеспечивает свободный воздухообмен снаружи к внутренним обмоткам статора, этот тип двигателя имеет тенденцию быть немного более эффективным, поскольку обмотки более холодные. При заданной номинальной мощности более низкая скорость требует большей рамы. ^[44]

Изменение направления вращения

Метод изменения направления вращения асинхронного двигателя зависит от того, является ли он трехфазной или однофазной машиной. Трехфазный двигатель можно реверсировать, поменяв местами любые два его фазных соединения. Двигатели, которым требуется регулярно менять направление (например, подъемники), будут иметь дополнительные переключающие контакты в своем контроллере для изменения направления вращения по мере необходимости. Частотно-регулируемый привод почти всегда допускает реверсирование путем электронного изменения последовательности фаз напряжения, подаваемого на двигатель.

В однофазном двигателе с расщепленной фазой реверс достигается путем изменения соединений пусковой обмотки. Некоторые двигатели выводят соединения пусковой обмотки наружу, чтобы обеспечить выбор направления вращения при установке. Если пусковая обмотка постоянно подключена внутри двигателя, то нецелесообразно менять направление вращения. Однофазные двигатели с экранированными полюсами имеют фиксированное вращение, если не предусмотрен второй набор экранирующих обмоток.

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности асинхронных двигателей меняется в зависимости от нагрузки, обычно от примерно 0,85 или 0,90 при полной нагрузке до примерно 0,20 при отсутствии нагрузки ^[39] из-за утечки статора и ротора и реактивных сопротивлений намагничивания. ^[45] Коэффициент мощности можно улучшить, подключив конденсаторы либо к отдельному двигателю, либо, что предпочтительнее, к общей шине, охватывающей несколько двигателей. По экономическим и другим соображениям, коэффициент мощности систем питания редко корректируется до коэффициента мощности, равного единице. ^[46] Применение силовых конденсаторов с гармоническими токами требует анализа системы питания, чтобы избежать гармонического резонанса между конденсаторами и реактивными сопротивлениями трансформатора и цепи. ^[47] Для минимизации резонансного риска и упрощения анализа системы питания рекомендуется использовать общую коррекцию коэффициента мощности шины. ^[47]

Эффективность

КПД двигателя при полной нагрузке составляет 85–97%, потери составляют: ^[48]

• Трение и сопротивление воздуха 5–15%
• Потери в железе или сердечнике , 15–25%
• Потери в статоре, 25–40%
• Потери ротора, 15–25%
• Потери от паразитной нагрузки 10–20%.

Для электродвигателя КПД, обозначаемый греческой буквой Эта, ^[49] определяется как частное от деления механической выходной мощности на электрическую входную мощность, ^[50] вычисляемое по следующей формуле:

${\displaystyle \eta =OutputMechanicalPower\div InputElectricalPower}$

Регулирующие органы во многих странах приняли законодательство, поощряющее производство и использование электродвигателей с более высокой эффективностью. Некоторые законодательные акты предписывают будущее использование асинхронных двигателей с более высокой эффективностью в определенном оборудовании. Для получения дополнительной информации см.: Premium efficient .

Эквивалентная схема Штейнмеца

Многие полезные соотношения двигателя между временем, током, напряжением, скоростью, коэффициентом мощности и крутящим моментом можно получить из анализа эквивалентной схемы Штейнмеца (также называемой эквивалентной схемой T или рекомендованной IEEE эквивалентной схемой), математической модели, используемой для описания того, как электрический вход асинхронного двигателя преобразуется в полезную выходную механическую энергию. Эквивалентная схема представляет собой однофазное представление многофазного асинхронного двигателя, которое справедливо в условиях установившейся сбалансированной нагрузки.

Эквивалентная схема Штейнмеца выражается просто через следующие компоненты:

• Сопротивление статора и реактивное сопротивление рассеяния ( , ). ${\displaystyle R_{s}}$ ${\displaystyle X_{s}}$
• Сопротивление ротора , реактивное сопротивление рассеяния и скольжение ( , или , , и ). ${\displaystyle R_{r}}$ ${\displaystyle X_{r}}$ ${\displaystyle R_{r}'}$ ${\displaystyle X_{r}'}$ ${\displaystyle s}$
• Реактивное сопротивление намагничивания ( ). ${\displaystyle X_{m}}$

Перефразируя Элджера в Ноултоне, асинхронный двигатель — это просто электрический трансформатор, магнитная цепь которого разделена воздушным зазором между обмоткой статора и обмоткой движущегося ротора. ^[28] Эквивалентная схема может быть соответственно показана либо с компонентами эквивалентной цепи соответствующих обмоток, разделенными идеальным трансформатором, либо с компонентами ротора, относящимися к стороне статора, как показано в следующей схеме и связанных с ней таблицах уравнений и определения параметров. ^{[39] [46] [51] [52] [53] [54]}

Эквивалентная схема Штейнмеца

К схеме применимы следующие приблизительные правила: ^{[54] [55] [56]}

• Максимальный ток возникает в условиях тока заторможенного ротора (LRC) и несколько меньше , при этом LRC обычно находится в диапазоне от 6 до 7 номинальных токов для стандартных двигателей конструкции B. ^[30] ${\displaystyle V_{\text{s}}/X}$
• Крутящий момент пробоя возникает, когда и таким образом , и, таким образом, при постоянном входном напряжении процентный номинальный максимальный крутящий момент асинхронного двигателя с низким скольжением составляет примерно половину его процентного номинального LRC. ${\displaystyle T_{\text{max}}}$ ${\displaystyle s\approx R_{\text{r}}'/X}$ ${\displaystyle I_{\text{s}}\approx 0.7\;LRC}$ ${\displaystyle T_{\text{max}}\approx KV_{\text{s}}^{2}/2X}$
• Относительное реактивное сопротивление рассеяния статора к ротору стандартных асинхронных двигателей конструкции B с клеткой ротора составляет ^[57]

  ${\displaystyle {\frac {X_{\text{s}}}{X_{\text{r}}'}}\approx {\frac {0.4}{0.6}}}$.

• Пренебрегая сопротивлением статора, кривая крутящего момента асинхронного двигателя сводится к уравнению Клосса ^[58]

  ${\displaystyle T_{\text{em}}\approx {\frac {2T_{\text{max}}}{{\frac {s}{s_{\text{max}}}}+{\frac {s_{\text{max}}}{s}}}}}$, где скольжение при . ${\displaystyle s_{\text{max}}}$ ${\displaystyle T_{\text{max}}}$

Линейный асинхронный двигатель

Линейные индукционные двигатели, которые работают по тем же общим принципам, что и роторные индукционные двигатели (часто трехфазные), предназначены для создания прямолинейного движения. Их применение включает магнитную левитацию , линейный движитель, линейные приводы и перекачку жидкого металла . ^[59]

Смотрите также

• двигатель переменного тока
• Круговая диаграмма
• Асинхронный генератор
• Премиум эффективность
• Переменный поток хладагента

Примечания

1. То есть, отсутствует механическая коммутация , раздельное возбуждение или самовозбуждение для всей или части энергии, передаваемой от статора к ротору, как это имеет место в универсальных двигателях , двигателях постоянного тока и синхронных двигателях.
2. NEMA MG-1 определяет а) критический крутящий момент как максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем при номинальном напряжении, приложенном на номинальной частоте без резкого падения скорости, б) крутящий момент при заторможенном роторе как минимальный крутящий момент, развиваемый двигателем в состоянии покоя при номинальном напряжении, приложенном на номинальной частоте, и в) крутящий момент при подтягивании как минимальный крутящий момент, развиваемый двигателем в период разгона из состояния покоя до скорости, при которой возникает критический крутящий момент.

Ссылки

1. IEC 60050 (Дата публикации: 1990-10). Раздел 411-31: Вращающиеся машины – Общие положения, IEV ref. 411-31-10: «Асинхронная машина – асинхронная машина, у которой только одна обмотка находится под напряжением».
2. Babbage, C.; Herschel, JFW (январь 1825 г.). «Отчет о повторении экспериментов М. Араго по магнетизму, проявляемому различными веществами во время акта вращения». Philosophical Transactions of the Royal Society . 115 : 467–496. Bibcode : 1825RSPT..115..467B. doi : 10.1098/rstl.1825.0023 . Получено 2 декабря 2012 г.
3. Томпсон , Сильванус Филлипс (1895). Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока (1-е изд.). Лондон: E. & FN Spon. стр. 261. Получено 2 декабря 2012 г.
4. Бейли, Уолтер (28 июня 1879 г.). «Способ создания вращения Араго». Philosophical Magazine . 3 (1). Taylor & Francis: 115–120. Bibcode : 1879PPSL....3..115B. doi : 10.1088/1478-7814/3/1/318.
5. Vučković, Vladan (ноябрь 2006 г.). "Интерпретация открытия" (PDF) . Сербский журнал инженеров-электриков . 3 (2) . Получено 10 февраля 2013 г. .
6. Электротехник, Том 5. (Февраль 1890 г.)
7. Электрик, Том 50. 1923
8. Официальный бюллетень Патентного ведомства США: Том 50. (1890)
9. Евгений Кац. "Blathy". People.clarkson.edu. Архивировано из оригинала 25 июня 2008 года . Получено 4 августа 2009 года .
10. Рикс, GWD (март 1896). «Счетчики электроэнергии». Журнал Института инженеров-электриков . 25 (120): 57–77. doi :10.1049/jiee-1.1896.0005.
11. Феррарис, Г. (1888). «Атти делла Реале Академии наук Турина». Атти делла Р. Туринская академия наук . XXIII : 360–375.
12. Alger, PL; Arnold, RE (1976). «История асинхронных двигателей в Америке». Труды IEEE . 64 (9): 1380–1383. doi :10.1109/PROC.1976.10329. S2CID  42191157.
13. Froehlich, Fritz E.; Kent, Allen , ред. (1992). Энциклопедия телекоммуникаций Froehlich/Kent: Том 17 – Телевизионные технологии для антенн (первое изд.). Нью-Йорк: Marcel Dekker, Inc. стр. 36. ISBN 978-0-8247-2902-8.
14. The Electrical Engineer (21 сентября 1888 г.). . . . новое применение переменного тока для создания вращательного движения было предложено почти одновременно двумя экспериментаторами, Николой Теслой и Галилео Феррарисом, и эта тема привлекла всеобщее внимание тем фактом, что не требовалось никакого коммутатора или какого-либо соединения с якорем. . . . Том II. Лондон: Charles & Co., стр. 239.
15. Феррарис, Галилей (1885). «Электромагнитное вращение с переменным током». Электрик . 36 : 360–375.
16. Тесла, Никола; AIEE Trans. (1888). «Новая система для двигателей и трансформаторов переменного тока». AIEE . 5 : 308–324 . Получено 17 декабря 2012 г. .
17. Джоннес, Джилл (19 августа 2003 г.). Империи света: Эдисон, Тесла, Вестингауз и гонка за электрификацию мира. Издательская группа Random House. ISBN 9781588360007– через Google Книги.
18. «Электрический мир». McGraw-Hill. 18 мая 1921 г. – через Google Books.
19. Klooster, John W. (30 июля 2009 г.). Иконы изобретений: создатели современного мира от Гутенберга до Гейтса. Санта-Барбара: ABC-CLIO. стр. 305. ISBN 978-0-313-34744-3. Получено 10 сентября 2012 г.
20. Дэй, Лэнс (1996). Макнил, Иэн (ред.). Биографический словарь истории технологий. Лондон: Routledge . стр. 1204. ISBN 978-0-203-02829-2. Получено 2 декабря 2012 г.
21. Хаббелл, М. В. (2011). Основы ядерной энергетики. Вопросы и ответы . Авторхаус. стр. 27. ISBN 978-1463424411.
22. VDE Committee History of Electrical Engineering IEEE German Chapter (январь 2012 г.). "150th Birthday of Michael von Dolivo-Dobrowolsky Colloquium". History of Energy Technology News . 13 . Архивировано из оригинала 25 февраля 2013 г. . Получено 10 февраля 2013 г. .
23. Доливо-Добровольский, М. (1891). ЭТЗ . 12 :149, 161. {{cite journal}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
24. Кеннелли, Артур Э. (январь 1893 г.). «Импеданс». Труды Американского института инженеров-электриков . X : 172–232. doi :10.1109/T-AIEE.1893.4768008. S2CID  264022523.
25. Штейнмец, Чарльз Протеус (1897). «Асинхронный двигатель переменного тока». AIEE Trans . XIV (1): 183–217. doi :10.1109/T-AIEE.1897.5570186. S2CID  51652760.
26. Банихашеми, Абдолмаджид (1973). Определение потерь в индукционных машинах из-за гармоник (PDF) . Фредериктон, Нью-Брансуик: Университет Нью-Брансуика. С. 1, 5–8. Архивировано из оригинала (PDF) 4 июля 2013 г.
27. Штейнмец, Чарльз Протеус; Берг, Эрнст Дж. (1897). Теория и расчет явлений переменного тока . McGraw Publishing Company. OL  7218906M.
28. Alger, Philip L.; et al. (3 сентября 2012 г.).Подраздел «Асинхронные машины» раздела 7 – Генераторы и двигатели переменного тока. В Beaty, H. Wayne; Fink, Donald G. (ред.). Стандартный справочник для инженеров-электриков, шестнадцатое издание (16-е изд.). McGraw Hill Professional. ISBN 978-0-07-176231-1.
29. "AC Motors". NSW HSC Online – Charles Sturt University. Архивировано из оригинала 30 октября 2012 года . Получено 2 декабря 2012 года .
30. NEMA MG-1 2007 Condensed (2008). Информационное руководство по стандартам для малогабаритных и средних асинхронных двигателей переменного тока общего назначения промышленного назначения с короткозамкнутым ротором. Рослин, Вирджиния, США: NEMA. стр. 29 (таблица 11) . Получено 2 декабря 2012 г.{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
31. "Induction (Asynchronous) Motors" (PDF) . Кафедра электротехники и вычислительной техники Университета штата Миссисипи, курс ECE 3183, "Электротехнические системы для специалистов, не имеющих специальности ECE". Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2016 г. Получено 2 декабря 2012 г.
32. "Induction Motors". electricmotors.machinedesign.com . Penton Media, Inc. Архивировано из оригинала 16 ноября 2007 г. Получено 12 апреля 2016 г.
33. "Motor Formulas". elec-toolbox.com. Архивировано из оригинала 8 мая 1999 года . Получено 1 января 2013 года .
34. Шривастава, Авинаш; Кумар, Рави. «Характеристики скольжения крутящего момента асинхронного двигателя». Заметки к курсу . Инженерный колледж Малнад.
35. Публикация стандартов NEMA (2007). Руководство по применению систем приводов переменного тока с регулируемой скоростью. Рослин, Вирджиния, США: NEMA. стр. 6. Архивировано из оригинала 28 апреля 2008 г. Получено 2 декабря 2012 г.
36. Герман, Стивен Л. (2011). Основы переменного тока (8-е изд.). США: Cengage Learning. стр. 529–536. ISBN 978-1-111-03913-4.
37. Peltola, Mauri. "AC Induction Motor Slip". Plantservices.com. Архивировано из оригинала 22 ноября 2021 г. Получено 18 декабря 2012 г.
38. Келджик, Джеффри (2009). "Глава 12 – Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором". Электричество 4: двигатели переменного/постоянного тока, средства управления и техническое обслуживание (9-е изд.). Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar, Cengage Learning. стр. 112–115. ISBN 978-1-4354-0031-3.
39. Liang, Xiaodong; Ilochonwu, Obinna (январь 2011 г.). «Запуск асинхронного двигателя в практических промышленных приложениях». IEEE Transactions on Industry Applications . 47 (1): 271–280. doi :10.1109/TIA.2010.2090848. S2CID  18982431.
40. Джамиль Асгар, М.С. (2003). «Управление скоростью асинхронных двигателей с фазным ротором с помощью регулятора переменного тока на основе оптимального управления напряжением». Пятая международная конференция по силовой электронике и системам приводов, 2003. PEDS 2003. Том 2. С. 1037–1040. doi :10.1109/PEDS.2003.1283113. ISBN 978-0-7803-7885-8. S2CID  113603428.
41. Гумеров, Марина Б.; Наталья Л. Бабикова, Марина Б.; Рустам И. Гареев, Марина Б. (22–25 октября 2019 г.). Каскадный синхронно-асинхронный двигатель. Труды Международной конференции по электротехническим комплексам и системам 2019 г. Пискатауэй, Нью-Джерси: Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия. стр. 1. doi :10.1109/ICOECS46375.2019.8949946. ISBN 978-1-7281-1728-7.
42. Ленденманн, Хайнц; Могадам, Реза Р.; Тами, Ари; Танд, Ларс-Эрик. "Motoring Ahead" (PDF) . Получено 18 апреля 2012 г.
43. «Принцип работы трехфазного асинхронного двигателя».
44. ABB Group (Baldor Electric Company) (2016). "SPECIFIER GUIDE" (PDF) . стр. 6. Архивировано из оригинала (PDF) 23 ноября 2016 г. Получено 4 октября 2016 г.
45. Финк, Д. Г.; Бити, Х. В. (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков (11-е изд.). McGraw-Hill. С. 20–28 по 20–29.
46. Jordan, Howard E. (1994). Энергоэффективные электродвигатели и их применение (2-е изд.). Нью-Йорк: Plenum Press. ISBN 978-0-306-44698-6.
47. NEMA MG-1, стр. 19
48. Министерство энергетики США (2008). «Улучшение производительности двигателей и приводных систем: справочник для промышленности» (PDF) . стр. 27. Получено 31 декабря 2012 г.
49. de Swardt, Henk (февраль 2014 г.). «Можно ли отремонтировать высокоэффективный двигатель среднего напряжения?». Международная конференция IEEE по промышленным технологиям (ICIT) 2014 г. Пусан, Южная Корея: IEEE. стр. 169–174. doi :10.1109/ICIT.2014.6894933. ISBN 978-1-4799-3939-8.
50. de Swardt, Henk (февраль 2014 г.). «Мифы об эффективности электродвигателей: работа против отходов». Международная конференция IEEE по промышленным технологиям (ICIT) 2014 г. стр. 193–196. doi :10.1109/ICIT.2014.6894937. ISBN 978-1-4799-3939-8.
51. Хьюберт, Чарльз И. (2002). Электрические машины: теория, эксплуатация, применение, регулировка и управление (2-е изд.). Аппер Сэдл Ривер, Нью-Джерси: Prentice Hall. стр. Глава 4. ISBN 978-0130612106.
52. Beaty, H. Wayne, ред. (2006). "Раздел 5 – Трехфазные индукционные двигатели Хашема Ораи" (PDF) . Справочник по расчетам электроэнергии (3-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 0-07-136298-3. Архивировано из оригинала (PDF) 13 августа 2012 года.
53. Найт, Энди. «Модель эквивалентной цепи индукционной машины». Размещено в Университете Калгари . Получено 2 февраля 2022 г.
54. IEEE 112 (2004). Стандартная процедура испытаний IEEE для многофазных асинхронных двигателей и генераторов . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: IEEE. ISBN 978-0-7381-3978-4.{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
55. Элджер (1949), стр. 711
56. Özyurt, Ç.H. (2005). Оценка параметров и скорости асинхронных двигателей по данным и измерениям производителей (PDF) . Middle East Technical University. С. 33–34.
57. Найт, Энди. «Определение параметров индукционной машины». Размещено в Университете Калгари . Получено 1 февраля 2022 г.
58. Хамейер, Кей (2001). «Электрическая машина I: основы, конструкция, функция, эксплуатация» (PDF) . RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines. Архивировано из оригинала (PDF) 10 февраля 2013 года . Получено 11 января 2013 года .страница=133
59. Бюллетень ученых-атомщиков. Образовательный фонд атомной науки. 6 июня 1973 г. Получено 8 августа 2012 г.

Классические источники

• Бейли, Бенджамин Франклин (1911). Асинхронный двигатель. McGraw-Hill. асинхронный двигатель.
• Беренд, Бернхард Артур (1901). Асинхронный двигатель: краткий трактат по его теории и конструкции с многочисленными экспериментальными данными и диаграммами. McGraw Publishing Company / Electrical World and Engineer.
• Бой де ла Тур, Анри (1906). Асинхронный двигатель: его теория и конструкция, изложенные практическим методом расчета. Перевод Сиприена Одилона Майю. McGraw Pub. Co.

Внешние ссылки

• Кто изобрел многофазный электродвигатель?
• Сильванус Филлипс Томпсон: Многофазные электрические токи и двигатели переменного тока
• Темы об асинхронных двигателях с веб-сайта Hyperphysics, размещенного CR Nave, кафедрой физики и астрономии GSU.
• Документы Коуэрна