Универсальный двигатель
Универсальный двигатель — это тип электродвигателя , который может работать как от переменного, так и от постоянного тока и использует электромагнит в качестве статора для создания магнитного поля. [ 1 ] Это коммутируемый двигатель с последовательной обмоткой , в котором соединены статора катушки возбуждения последовательно с обмотками ротора через коммутатор . Его часто называют двигателем переменного тока. Универсальный двигатель по конструкции очень похож на двигатель серии постоянного тока, но немного модифицирован, чтобы двигатель мог правильно работать от сети переменного тока. Электродвигатель этого типа может хорошо работать от переменного тока, поскольку ток как в катушках возбуждения, так и в якоре (и результирующие магнитные поля) будет меняться (обратная полярность) синхронно с источником питания. Следовательно, результирующая механическая сила будет возникать в постоянном направлении вращения, независимом от направления приложенного напряжения, но определяемом коммутатором и полярностью катушек возбуждения. [ 2 ]
Универсальные двигатели имеют высокий пусковой момент , могут работать на высоких скоростях, легкие и компактные. Они обычно используются в портативных электроинструментах и оборудовании, а также во многих бытовых приборах. Ими относительно легко управлять: электромеханически с помощью катушек с ответвлениями или электронно. Однако коллектор имеет щетки , которые изнашиваются, поэтому они менее подходят для оборудования, находящегося в постоянной эксплуатации. Кроме того, отчасти из-за коллектора, универсальные двигатели обычно очень шумны, как акустически, так и электромагнитно. [ 3 ]
Работающий
[ редактировать ]
Не все двигатели с последовательной обмоткой хорошо работают на переменном токе. [ 4 ] [ примечание 1 ] Если бы обычный двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой был подключен к источнику переменного тока, он работал бы очень плохо. Универсальный двигатель модифицирован несколькими способами, чтобы обеспечить правильную работу от источника переменного тока. Обычно добавляется компенсационная обмотка вместе с ламинированными полюсными наконечниками , в отличие от сплошных полюсных наконечников, используемых в двигателях постоянного тока. [ 2 ] Якорь универсального двигателя обычно имеет гораздо больше катушек и пластин, чем двигатель постоянного тока, и, следовательно, меньше обмоток на катушку. Это уменьшает индуктивность. [ 5 ]
Эффективность
[ редактировать ]Даже при использовании переменного тока эти типы двигателей могут работать с частотой вращения, значительно превышающей частоту вращения от сети, а поскольку большинство свойств электродвигателей улучшаются с увеличением скорости, это означает, что они могут быть легкими и мощными. [ 5 ] Однако универсальные двигатели обычно относительно неэффективны: около 30% для двигателей меньшего размера и до 70–75% для двигателей большего размера. [ 5 ]
Характеристики крутящего момента
[ редактировать ]Электродвигатели с последовательной обмоткой реагируют на повышенную нагрузку замедлением; ток увеличивается, а крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату тока, поскольку один и тот же ток течет как в якоре, так и в обмотках возбуждения. Если двигатель заглох, ток ограничивается только общим сопротивлением обмоток, крутящий момент может быть очень высоким, и существует опасность перегрева обмоток. Противо-ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничить ток через якорь. Когда на двигатель впервые подается питание, якорь не вращается. В этот момент противо-ЭДС равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя низкое; поэтому ток через якорь будет очень большим при подаче питания. Поэтому может возникнуть необходимость в дополнительном сопротивлении последовательно с якорем для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не создаст противо-ЭДС. По мере увеличения вращения двигателя сопротивление постепенно снижается. Характеристика скоростного момента представляет собой почти идеально прямую линию между моментом срыва и скоростью холостого хода. Это подходит для больших инерционных нагрузок, поскольку скорость будет падать до тех пор, пока двигатель не начнет медленно вращаться, а эти двигатели имеют очень высокий опрокидывающий момент. [ 6 ]
По мере увеличения скорости индуктивность ротора означает, что идеальная точка коммутации меняется. Маленькие двигатели обычно имеют фиксированную коммутацию. Хотя некоторые более крупные универсальные двигатели имеют вращающуюся коммутацию, это случается редко. Вместо этого более крупные универсальные двигатели часто имеют компенсационные обмотки, включенные последовательно с двигателем или иногда индуктивно связанные и расположенные под углом девяноста электрических градусов к оси основного поля. Они уменьшают реактивное сопротивление якоря и улучшают коммутацию. [ 5 ]
Одним из полезных свойств последовательного включения обмоток возбуждения с обмоткой якоря является то, что по мере увеличения скорости противо-ЭДС естественным образом снижает напряжение и ток через обмотки возбуждения, вызывая ослабление поля на высоких скоростях. Это означает, что двигатель не имеет теоретической максимальной скорости для любого конкретного приложенного напряжения. Универсальные двигатели могут работать и обычно работают на высоких скоростях, 4000–16 000 об/мин, и могут развивать скорость более 20 000 об/мин. [ 5 ] Напротив, синхронные двигатели переменного тока и с короткозамкнутым ротором асинхронные двигатели не могут вращать вал быстрее, чем позволяет частота линии электропередачи . В странах с переменным током частотой 60 Гц эта скорость ограничена 3600 об/мин. [ 7 ]
Повреждение двигателя может произойти из-за превышения скорости (работа со скоростью вращения, превышающей расчетные пределы), если агрегат работает без значительной механической нагрузки. На более крупных двигателях следует избегать внезапной потери нагрузки, возможность такого возникновения заложена в схемы защиты и управления двигателем. В некоторых небольших устройствах лопасть вентилятора , прикрепленная к валу, часто действует как искусственная нагрузка, ограничивающая скорость двигателя до безопасного уровня, а также как средство циркуляции потока охлаждающего воздуха по якорю и обмоткам возбуждения. Если бы на универсальный двигатель не налагалось механических ограничений, он теоретически мог бы выйти из-под контроля, как это может сделать любой двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой . [ 3 ]
Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники переменного тока можно использовать с двигателями, которые имеют некоторые характеристики, более характерные для двигателей постоянного тока, в частности, высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию, если используются высокие рабочие скорости. [ 3 ]
Недостатки
[ редактировать ]Отрицательным аспектом являются проблемы с обслуживанием и коротким сроком службы, вызванные коммутатором , а также проблемы с электромагнитными помехами (EMI) из-за искрообразования. Из-за относительно высоких требований к обслуживанию коллекторных щеток универсальные двигатели лучше всего подходят для таких устройств, как миксеры и электроинструменты, которые используются лишь с перерывами и часто имеют высокие требования к пусковому моменту.
Еще одним отрицательным аспектом является то, что эти двигатели можно использовать только там, где постоянно присутствует преимущественно чистый воздух. Из-за резко возросшего риска перегрева полностью закрытые универсальные двигатели с вентиляторным охлаждением были бы непрактичны, хотя некоторые из них были изготовлены. Такому двигателю потребуется большой вентилятор для циркуляции достаточного количества воздуха, что снизит эффективность, поскольку двигателю придется использовать больше энергии для охлаждения. Непрактичность обусловлена возникающими в результате проблемами размера, веса и управления температурой, которых нет у открытых двигателей.
Универсальные двигатели также очень шумны по сравнению с другими типами двигателей переменного и постоянного тока.
Контроль скорости
[ редактировать ]Непрерывное управление скоростью универсального двигателя, работающего от переменного тока, легко достигается с помощью тиристорной схемы, в то время как несколько отводов на катушку возбуждения обеспечивают (неточное) ступенчатое управление скоростью. Бытовые блендеры , рекламирующие множество скоростей, часто сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими отводами и диод , который можно вставить последовательно с двигателем (заставляя двигатель работать от полуволнового выпрямленного переменного тока).
Вариации
[ редактировать ]Шунтовая обмотка
[ редактировать ]Универсальные двигатели имеют последовательную обмотку. Шунтовая обмотка была использована экспериментально в конце 19 века. [ 8 ] но было непрактично из-за проблем с коммутацией. Чтобы уменьшить это, пытались использовать различные схемы встроенного сопротивления, индуктивности и противофазной перекрестной связи. В то время в качестве двигателей переменного тока предпочтение отдавалось универсальным двигателям, в том числе с шунтирующей обмоткой, поскольку они были самозапускающимися. [ 4 ] Когда стали доступны самозапускающиеся асинхронные двигатели и автоматические стартеры, они заменили более крупные универсальные двигатели (мощностью более 1 л.с.) и шунтирующие двигатели.
Отталкивание-старт
[ редактировать ]В прошлом двигатели с фазным ротором с отталкивательным пуском обеспечивали высокий пусковой момент, но с дополнительной сложностью. Их роторы были аналогичны роторам универсальных двигателей, но щетки были соединены только друг с другом. Действие трансформатора наводит ток в ротор. Расположение щеток относительно полюсов поля означало, что пусковой крутящий момент создавался за счет отталкивания ротора от полюсов поля. Центробежный механизм, когда скорость приближалась к рабочей, соединял все коллекторные стержни вместе, создавая эквивалент короткозамкнутого ротора. Кроме того, при скорости, близкой к 80 процентам от рабочей скорости, эти двигатели могут работать как асинхронные двигатели. [ 9 ]
Приложения
[ редактировать ]Бытовая техника
[ редактировать ]Работая на обычных частотах электросети , универсальные двигатели не часто встречаются в диапазоне мощности менее 1000 Вт . Их высокая скорость делает их полезными для таких приборов, как блендеры , пылесосы и фены , где желательны высокая скорость и легкий вес. Они также широко используются в портативных электроинструментах, таких как дрели , шлифовальные машины , циркулярные пилы и лобзики , где характеристики двигателя работают хорошо. Дополнительным преимуществом электроинструментов, используемых сварщиками, является то, что классические сварочные аппараты с приводом от двигателя могут быть чистым генератором постоянного тока, а их вспомогательные розетки по-прежнему будут работать на постоянном токе, даже несмотря на типичную бытовую конфигурацию NEMA 5-15. Питание постоянного тока подходит для типичного (устаревшего) освещения на рабочей площадке и универсальных двигателей в некоторых дрелях и шлифовальных машинах. У многих пылесосов и триммеров скорость вращения превышает 10 000 об/мин , а у многих Dremel и аналогичных миниатюрных шлифовальных машин скорость превышает 30 000 об/мин .
Универсальные двигатели также поддаются электронному контролю скорости и поэтому стали идеальным выбором для бытовых стиральных машин . Двигатель можно использовать для возбуждения барабана (как вперед, так и назад) путем переключения обмотки возбуждения относительно якоря. Двигатель также может работать на высоких скоростях, необходимых для отжима. В настоящее время приводные двигатели с регулируемой частотой вместо них чаще используются .
Железнодорожная тяга
[ редактировать ]Универсальные двигатели также составили основу традиционного железнодорожного тягового двигателя на электрических железных дорогах . В этом приложении использование переменного тока для питания двигателя, изначально предназначенного для работы на постоянном токе, привело бы к потерям эффективности из-за нагрева вихревыми токами их магнитных компонентов, особенно полюсных наконечников двигателя, в которых для постоянного тока использовались бы твердые ( неламинированное) железо. Хотя эффект нагрева снижается за счет использования ламинированных полюсных наконечников, которые используются для сердечников трансформаторов , а также за счет использования пластин из с высокой проницаемостью электротехнической стали , в начале 20-го века было доступно одно решение: двигатели должны работать от источников переменного тока очень низкой частоты, частотой 25 Гц и 16 + 2 ⁄ 3 Обычно работает Гц.
Стартер
[ редактировать ]Стартеры двигателей внутреннего сгорания обычно представляют собой универсальные двигатели, преимуществом которых являются небольшие размеры и высокий крутящий момент на низкой скорости. Некоторые стартеры имеют постоянные магниты, другие имеют один из четырех полюсов, намотанный шунтирующей катушкой, а не катушками с последовательной обмоткой.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Двигатели постоянного тока в любом случае потребуют ламинированных роторов из-за коммутации.
- ^ «Электрические двигатели – Дитц Электрик» . Dietzelectric.com . Архивировано из оригинала 11 июля 2018 г. Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б Герман, Стандартный учебник по электричеству Стивена Л. Дельмара, 3-е издание. Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar Learning, 2004. стр.998.
- ^ Перейти обратно: а б с Герман, Стандартный учебник по электричеству Стивена Л. Делмера, 3-е издание. Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar Learning, 2004. стр.1001.
- ^ Перейти обратно: а б Кеннеди, Рэнкин (1915). Книга электромонтажных работ . Том. II. Кэкстон. п. 152.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Трансформаторы и двигатели, Джордж Патрик Шульц
- ^ Герман, Стандартный учебник по электричеству Стивена Л. Дельмара, 3-е издание. Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar Learning, 2004. стр.850.
- ^ Герман, Стандартный учебник по электричеству Стивена Л. Дельмара, 3-е издание. Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar Learning, 2004. стр.905.
- ^ GB 18847 , HF Joel, опубликовано в 1892 г.
- ^ «Асинхронный двигатель с отталкивающим пуском | Устранение неисправностей систем отопления, вентиляции и кондиционирования» . hvacspecialists.info . Архивировано из оригинала 9 июля 2018 г. Проверено 10 июля 2018 г.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
