Асинхронный двигатель

«Тесла мотор» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о компании по производству электромобилей, см. Tesla, Inc.

Трехфазный асинхронный двигатель полностью закрытого типа с вентиляторным охлаждением ( TEFC ) с торцевой крышкой слева и без торцевой крышки, где виден охлаждающий вентилятор, справа. В двигателях TEFC внутренние тепловые потери рассеиваются косвенно через ребра корпуса, в основном за счет принудительной конвекции воздуха.

Вид в разрезе статора асинхронного двигателя TEFC : ротор с внутренними лопастями циркуляции воздуха. Многие такие двигатели имеют симметричный якорь, а раму можно перевернуть, чтобы разместить коробку электрических подключений (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 статора обмотки . Поэтому асинхронный двигатель не нуждается в электрическом соединении с ротором. Ротор асинхронного двигателя может быть как с обмоткой, так и 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 вывоз мусора и стационарные электроинструменты. Хотя одно- и трехфазные асинхронные двигатели традиционно используются для работы с постоянной скоростью, они все чаще устанавливаются в приложениях с регулируемой скоростью с использованием приводов переменной частоты (ЧРП). VFD предлагает возможности экономии энергии для асинхронных двигателей в таких устройствах, как вентиляторы, насосы и компрессоры с переменной нагрузкой.

История

Модель первого асинхронного двигателя Николы Теслы в музее Теслы в Белграде, Сербия.

Конструкция ротора с короткозамкнутым ротором, видны только три центральных пластины.

В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей , названных вращением Араго . Включая и выключая выключатели вручную, Уолтер Бейли продемонстрировал это в 1879 году, по сути, создав первый примитивный асинхронный двигатель.

Первый бесколлекторный однофазный асинхронный двигатель переменного тока был изобретен венгерским инженером Отто Блати ; он использовал однофазный двигатель, чтобы привести в движение свое изобретение — счетчик электроэнергии .

Первые многофазные асинхронные двигатели переменного тока без коллектора были независимо изобретены Галилео Феррарисом и Николой Теслой , рабочая модель двигателя была продемонстрирована первым в 1885 году, а вторым - в 1887 году. Тесла подал заявку на патенты США в октябре и ноябре 1887 года и был предоставил 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 описаны основы работы двигателя. технический документ « Новая система для двигателей и трансформаторов переменного тока» . В мае 1888 года Тесла представил Американскому институту инженеров-электриков (AIEE) описывающее три типа четырехполюсных двигателей статора: один имеет четырехполюсный ротор, образующий несамозапускающийся реактивный двигатель , другой с фазным ротором, образующий самозапускающийся асинхронный двигатель, и третий настоящий синхронный двигатель с отдельно подача возбужденного постоянного тока на обмотку ротора.

Джордж Вестингауз , который в то время разрабатывал систему питания переменного тока , лицензировал патенты Теслы в 1888 году и приобрел в США опцион на патент на концепцию асинхронного двигателя Феррари. Тесла также работал в течение одного года в качестве консультанта. Сотруднику Westinghouse К. Ф. Скотту было поручено помогать Тесле, а затем он взял на себя разработку асинхронного двигателя в Westinghouse. Настойчиво продвигая трехфазное развитие, Михаил Доливо-Добровольский изобрел асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в 1889 году и трехлинейный трансформатор в 1890 году. Более того, он утверждал, что двигатель Теслы непрактичен из-за двухфазных пульсаций, что побудило его продолжать работу с трехфазным двигателем. Хотя компания Westinghouse создала свой первый практический асинхронный двигатель в 1892 году и разработала линейку многофазных частотой 60 Гц асинхронных двигателей с в 1893 году, эти первые двигатели Westinghouse были двухфазными двигателями с фазным ротором, пока Б. Г. Ламме не разработал ротор с вращающейся стержневой обмоткой.

Компания General Electric (GE) начала разработку трехфазных асинхронных двигателей в 1891 году. К 1896 году General Electric и Westinghouse подписали соглашение о взаимном лицензировании конструкции ротора со стержневой обмоткой, позже названного ротором с короткозамкнутым ротором. Артур Э. Кеннелли был первым, кто полностью раскрыл значение комплексных чисел (используя j для обозначения квадратного корня из минус одного) для обозначения оператора поворота на 90 градусов при анализе проблем переменного тока. из GE Чарльз Протеус Штайнмец усовершенствовал применение комплексных величин переменного тока и разработал аналитическую модель, названную эквивалентной схемой Штайнмеца асинхронного двигателя .

Усовершенствования асинхронного двигателя, вытекающие из этих изобретений и инноваций, были таковы, что современный асинхронный двигатель мощностью 100 лошадиных сил имеет те же установочные размеры, что и двигатель мощностью 7,5 лошадиных сил в 1897 году.

Принцип

3-фазный двигатель

Трехфазный источник питания обеспечивает вращающееся магнитное поле в асинхронном двигателе.

Собственное скольжение – неодинаковая частота вращения поля статора и ротора.

Как в асинхронных, так и в синхронных двигателях двигателя, мощность переменного тока, подаваемая на статор 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. Таким образом, магнитное поле статора асинхронного двигателя меняется или вращается относительно ротора. Это индуцирует противоположный ток в роторе, то есть во вторичной обмотке двигателя. Вращающийся магнитный поток индуцирует токи в обмотках ротора. аналогично токам, наводимым во . вторичной обмотке трансформатора

Индуцированные токи в обмотках ротора, в свою очередь, создают магнитные поля в роторе, которые противодействуют полю статора. Направление магнитного поля ротора противодействует изменению тока через обмотки ротора в соответствии с законом Ленца . Причиной возникновения наведенного тока в обмотках ротора является вращающееся магнитное поле статора, поэтому, чтобы противодействовать изменению токов в обмотках ротора, ротор вращается в направлении магнитного поля статора. Ротор ускоряется до тех пор, пока величина индуцированного тока и крутящего момента ротора не уравновесит нагрузку на ротор. Поскольку вращение с синхронной скоростью не вызывает ток ротора, асинхронный двигатель всегда работает немного медленнее синхронной скорости. Разница, или «скольжение», между фактической и синхронной скоростью варьируется примерно от 0,5% до 5,0% для стандартных асинхронных двигателей с кривой крутящего момента конструкции B. Основная особенность асинхронного двигателя заключается в том, что крутящий момент создается исключительно за счет индукции, а не отдельного возбуждения ротора, как в синхронных машинах или машинах постоянного тока, или самонамагничивания, как в двигателях с постоянными магнитами .

Чтобы индуцировались токи ротора, скорость физического ротора должна быть ниже, чем скорость вращающегося магнитного поля статора ( $n_{s}$); в противном случае магнитное поле не перемещалось бы относительно проводников ротора и не возникало бы никаких токов. Когда скорость ротора падает ниже синхронной скорости, скорость вращения магнитного поля в роторе увеличивается, вызывая больший ток в обмотках и создавая больший крутящий момент. Отношение между скоростью вращения магнитного поля, индуцированного в роторе, и скоростью вращения вращающегося поля статора называется «скольжением». Под нагрузкой скорость падает, а скольжение увеличивается настолько, что создается достаточный крутящий момент для поворота груза. По этой причине асинхронные двигатели иногда называют «асинхронными двигателями».

Асинхронный двигатель можно использовать в качестве асинхронного генератора или его можно развернуть, чтобы сформировать линейный асинхронный двигатель , который может непосредственно генерировать линейное движение. Генераторный режим для асинхронных двигателей осложнен необходимостью возбуждения ротора, которое начинается только с остаточного намагничивания. В некоторых случаях остаточной намагниченности достаточно для самовозбуждения двигателя под нагрузкой. Поэтому необходимо либо отключить двигатель и моментально подключить его к сети под напряжением, либо добавить конденсаторы, изначально заряженные остаточным магнетизмом и обеспечивающие необходимую реактивную мощность во время работы. Аналогично работает асинхронный двигатель параллельно с синхронным двигателем, служащим компенсатором коэффициента мощности. Особенностью режима генератора параллельно сети является то, что частота вращения ротора выше, чем в режиме движения. Затем активная энергия передается в сеть. Другим недостатком асинхронного двигателя-генератора является то, что он потребляет значительный ток намагничивания I ₀ = (20–35)%.

Синхронная скорость

Синхронная скорость двигателя переменного тока, $f_{s}$, — скорость вращения магнитного поля статора,

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

где $f$ частота источника питания, $p$ - число магнитных полюсов, а $f_{s}$ - синхронная скорость машины. Для $f$ в герцах и $n_{s}$ синхронная скорость в об/мин , формула принимает вид:

$n_{s}={2f \over p}\cdot \left({\frac {60\ \mathrm {seconds} }{\mathrm {minute} }}\right)={120f \over {p}}\cdot \left({\frac {\mathrm {seconds} }{\mathrm {minute} }}\right)$.

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

Число магнитных полюсов, $p$, — количество северных и южных полюсов на фазу. Например; Однофазный двигатель с 3 северными и 3 южными полюсами, по 6 полюсов на фазу, является 6-полюсным двигателем. Трехфазный двигатель с 18 северными и 18 южными полюсами, по 6 полюсов на фазу, также является 6-полюсным двигателем. Этот стандартный метод подсчета полюсов обеспечивает одинаковую синхронную скорость для заданной частоты независимо от полярности.

Слип

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

Соскальзывать, $s$, определяется как разница между синхронной скоростью и рабочей скоростью при той же частоте, выраженная в об/мин или в процентах или отношении к синхронной скорости. Таким образом

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

где $n_{s}$ — электрическая скорость статора, $n_{r}$ — механическая скорость ротора. Скольжение, которое изменяется от нуля при синхронной скорости до 1 при остановке ротора, определяет крутящий момент двигателя. Поскольку короткозамкнутые обмотки ротора имеют небольшое сопротивление, даже небольшое скольжение вызывает в роторе большой ток и создает значительный крутящий момент. При полной номинальной нагрузке скольжение варьируется от более 5 % для двигателей малого или специального назначения до менее 1 % для двигателей большой мощности. Эти изменения скорости могут вызвать проблемы с распределением нагрузки при механическом соединении двигателей разной мощности. Доступны различные методы уменьшения скольжения, и частотно-регулируемые приводы часто являются лучшим решением.

Крутящий момент

Смотрите также: Правило левой руки Флеминга для двигателей.

Стандартный крутящий момент

Кривые скорости-момента для четырех типов асинхронных двигателей: A) однофазные, B) многофазные с клеткой, C) многофазные с глубокой решеткой, D) многофазные с двойной клеткой

Типичная кривая скорость-момент для двигателя NEMA Design B

Продолжительность: 30 секунд. 0:30

Решение переходных процессов для асинхронного двигателя переменного тока от полной остановки до рабочей точки при изменяющейся нагрузке

Типичное соотношение скорости и крутящего момента стандартного многофазного асинхронного двигателя NEMA Design B показано на кривой справа. Двигатели конструкции B, подходящие для большинства низкопроизводительных нагрузок, таких как центробежные насосы и вентиляторы, ограничены следующими типичными диапазонами крутящих моментов:

• Крутящий момент (максимальный), 175–300 % номинального момента.
• Крутящий момент заторможенного ротора (крутящий момент при скольжении 100 %), 75–275 % номинального крутящего момента.
• Тяговый момент: 65–190 % от номинального.

В нормальном диапазоне нагрузки двигателя крутящий момент примерно линейен или пропорционален скольжению, поскольку значение сопротивления ротора, деленное на скольжение, $R_{r}'/s$, линейно доминирует над крутящим моментом. По мере увеличения нагрузки выше номинальной, коэффициенты реактивного сопротивления рассеяния статора и ротора постепенно становятся более значимыми по отношению к $R_{r}'/s$ так, что крутящий момент постепенно приближается к моменту пробоя. Когда момент нагрузки превышает момент пробоя, двигатель глохнет.

Начало

См. также: Контроллер двигателя

Существует три основных типа небольших асинхронных двигателей: однофазные с расщепленной фазой, однофазные с экранированными полюсами и многофазные.

В двухполюсных однофазных двигателях крутящий момент достигает нуля при 100% скольжении (нулевой скорости), поэтому требуются изменения в статоре, например, установка заштрихованных полюсов для обеспечения пускового крутящего момента . Однофазный асинхронный двигатель требует отдельной пусковой схемы для создания вращающегося поля двигателя. Нормальные рабочие обмотки такого однофазного двигателя могут заставить ротор вращаться в любом направлении, поэтому пусковая цепь определяет рабочее направление.

Магнитный поток в двигателе с экранированными полюсами

В некоторых однофазных двигателях меньшего размера пуск осуществляется с помощью медного провода, оборачивающего часть полюса; такой столб называется заштрихованным столбом. Наведенный в этом витке ток отстает от тока питания, создавая задержанное магнитное поле вокруг заштрихованной части полюсной грани. Это передает достаточную энергию вращательного поля для запуска двигателя. Эти двигатели обычно используются в таких устройствах, как настольные вентиляторы и проигрыватели пластинок, поскольку требуемый пусковой момент низок, а низкий КПД терпим по сравнению со снижением стоимости двигателя и метода запуска по сравнению с другими конструкциями двигателей переменного тока.

Однофазные двигатели большего размера представляют собой двигатели с расщепленной фазой и имеют вторую обмотку статора, питаемую противофазным током; такие токи могут быть созданы путем питания 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, воздействующего на грузы на валу двигателя, либо с помощью термистора , который нагревается и увеличивает свое сопротивление, уменьшая ток через вторую обмотку. до незначительного уровня. Конструкции с конденсаторным питанием удерживают вторую обмотку включенной во время работы, улучшая крутящий момент. В конструкции запуска с сопротивлением используется стартер, включенный последовательно с пусковой обмоткой, что создает реактивное сопротивление.

Самозапускающиеся многофазные асинхронные двигатели создают крутящий момент даже в состоянии покоя. Доступные методы запуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором включают прямой пуск, пуск с реактора пониженного напряжения или автотрансформатора, пуск со звездой-треугольником или, все чаще, новые полупроводниковые мягкие сборки и, конечно же, частотно-регулируемые приводы (ЧРП). ).

Многофазные двигатели имеют стержни ротора, форма которых обеспечивает различные скоростно-моментные характеристики. Распределение тока внутри стержней ротора меняется в зависимости от частоты наведенного тока. В состоянии покоя ток ротора имеет ту же частоту, что и ток статора, и имеет тенденцию распространяться по самым внешним частям стержней ротора (за счет скин-эффекта ). Различные формы стержней могут обеспечить различные характеристики скорости и крутящего момента, а также некоторый контроль над пусковым током при запуске.

Хотя многофазные двигатели по своей сути являются самозапускающимися, их расчетные пределы пускового и тягового крутящего момента должны быть достаточно высокими, чтобы преодолевать условия реальной нагрузки.

В двигателях с фазным ротором подключение цепи ротора через контактные кольца к внешним сопротивлениям позволяет изменять скоростно-моментные характеристики в целях регулирования ускорения и регулирования скорости.

Контроль скорости

Сопротивление

Типичные кривые скорость-момент для различных входных частот двигателя, например, используемые в преобразователях частоты.

До разработки полупроводниковой силовой электроники было трудно изменять частоту, и асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором в основном использовались в приложениях с фиксированной скоростью. В таких приложениях, как электрические мостовые краны, используются приводы постоянного тока или двигатели с фазным ротором (WRIM) с контактными кольцами для подключения цепи ротора к переменному внешнему сопротивлению, что позволяет регулировать скорость в значительном диапазоне. Однако потери в резисторах, связанные с работой WRIM на низкой скорости, являются основным экономическим недостатком, особенно для постоянных нагрузок. Приводы двигателей с большими контактными кольцами, называемые системами рекуперации энергии скольжения, некоторые из которых все еще используются, восстанавливают энергию из цепи ротора, исправляют ее и возвращают в энергосистему с помощью частотно-регулируемого привода.

Каскад

Скорость пары двигателей с контактными кольцами можно регулировать путем каскадного соединения или конкатенации. Ротор одного двигателя соединен со статором другого. Если два двигателя также механически связаны, они будут работать на половинной скорости. Эта система когда-то широко использовалась в железнодорожных локомотивах трехфазного переменного тока, таких как FS Class E.333 . Однако на рубеже этого столетия такие каскадные электромеханические системы стали гораздо более эффективными и экономичными с использованием решений на основе силовых полупроводниковых элементов.

Частотно-регулируемый привод

Основная статья: Частотно-регулируемый привод

Во многих промышленных приложениях с регулируемой скоростью приводы постоянного тока и WRIM заменяются асинхронными двигателями с ЧРП. Наиболее распространенным и эффективным способом управления скоростью асинхронного двигателя многих нагрузок является использование частотно-регулируемых приводов. Барьеры для внедрения ЧРП из-за соображений стоимости и надежности были значительно уменьшены за последние три десятилетия, так что, по оценкам, технология привода используется в 30–40% всех вновь устанавливаемых двигателей.

Преобразователи частоты реализуют скалярное или векторное управление асинхронным двигателем.

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

Векторное управление позволяет независимо управлять скоростью и крутящим моментом двигателя, позволяя поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. Но векторное управление обходится дороже из-за стоимости датчика (не всегда) и необходимости более мощного контроллера.

Строительство

Типичная схема обмотки 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 питающий ток, индуцирующий магнитное поле, пронизывающее ротор. Для оптимизации распределения магнитного поля обмотки распределены по пазам вокруг статора, при этом магнитное поле имеет одинаковое количество северных и южных полюсов. Асинхронные двигатели чаще всего работают от однофазной или трехфазной сети, но существуют и двухфазные двигатели; теоретически асинхронные двигатели могут иметь любое количество фаз. Многие однофазные двигатели, имеющие две обмотки, можно рассматривать как двухфазные двигатели, поскольку конденсатор используется для генерации второй фазы питания под углом 90° от однофазного источника питания и подачи ее на вторую обмотку двигателя. Однофазным двигателям требуется какой-то механизм для создания вращающегося поля при запуске. Асинхронные двигатели, использующие обмотку ротора с короткозамкнутым ротором, могут иметь слегка перекошенные стержни ротора, чтобы сгладить крутящий момент при каждом обороте.

Стандартизированные размеры корпусов двигателей NEMA и IEC во всей отрасли приводят к взаимозаменяемым размерам вала, крепления на лапах, общих аспектов, а также определенных аспектов фланцев двигателя. Поскольку открытая конструкция двигателя с защитой от капель (ODP) обеспечивает свободный обмен воздуха снаружи во внутренние обмотки статора, этот тип двигателя имеет тенденцию быть немного более эффективным, поскольку обмотки более холодные. При данной номинальной мощности более низкая скорость требует рамы большего размера.

Реверс вращения

Способ изменения направления вращения асинхронного двигателя зависит от того, трехфазная это машина или однофазная. Трехфазный двигатель можно реверсировать, поменяв местами любые две его фазы. Двигатели, которым необходимо регулярно менять направление вращения (например, подъемники), будут иметь в контроллере дополнительные переключающие контакты для обратного вращения при необходимости. почти Частотно-регулируемый привод всегда допускает реверс путем электронного изменения последовательности фаз напряжения, подаваемого на двигатель.

В однофазном двигателе с расщепленной фазой реверс достигается путем изменения местами соединений пусковой обмотки. На некоторых двигателях соединения пусковой обмотки выведены, чтобы можно было выбрать направление вращения при установке. Если пусковая обмотка постоянно подключена к двигателю, менять направление вращения нецелесообразно. Однофазные двигатели с экранированными полюсами имеют фиксированное вращение, если не предусмотрен второй комплект экранирующих обмоток.

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности асинхронных двигателей варьируется в зависимости от нагрузки, обычно от примерно 0,85 или 0,90 при полной нагрузке до примерно 0,20 при холостом ходу. из-за утечки статора и ротора и реактивных сопротивлений намагничивания. Коэффициент мощности можно повысить, подключив конденсаторы либо к отдельному двигателю, либо, предпочтительно, к общей шине, охватывающей несколько двигателей. По экономическим и другим соображениям коэффициент мощности редко корректируется до единицы. Применение силовых конденсаторов с гармоническими токами требует анализа энергосистемы, чтобы избежать гармонического резонанса между конденсаторами и реактивными сопротивлениями трансформатора и цепи. Коррекция коэффициента мощности общей шины рекомендуется для минимизации резонансного риска и упрощения анализа энергосистемы.

Эффективность

См. Также: Частотно-регулируемый привод § Экономия энергии.

КПД двигателя при полной нагрузке колеблется в пределах 85–97% при следующих потерях:

• Трение и парусность , 5–15%
• Потери железа или сердечника , 15–25%
• Потери статора, 25–40%
• Потери ротора, 15–25%
• Потери на случайные нагрузки 10–20%.

Для электродвигателя КПД обозначается греческой буквой Эта. определяется как частное выходной механической мощности и входной электрической мощности, рассчитывается по этой формуле:

$\eta =OutputMechanicalPower\div InputElectricalPower$

Регулирующие органы во многих странах приняли законы, поощряющие производство и использование электродвигателей с более высоким КПД. Некоторые законы предписывают использование в будущем асинхронных двигателей с повышенным КПД в определенном оборудовании. Дополнительную информацию см. в разделе: Эффективность премиум-класса .

Штейнмеца

Многие полезные зависимости двигателя между временем, током, напряжением, скоростью, коэффициентом мощности и крутящим моментом можно получить из анализа эквивалентной схемы Штейнмеца (также называемой Т-эквивалентной схемой или рекомендованной IEEE эквивалентной схемой), математической модели, используемой для описания того, как Входная электрическая мощность асинхронного двигателя преобразуется в полезную выходную механическую энергию. Эквивалентная схема представляет собой однофазное представление многофазного асинхронного двигателя, которое действует в установившихся условиях сбалансированной нагрузки.

Эквивалентная схема Штейнмеца выражается просто через следующие компоненты:

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

Перефразируя слова Алджера в Ноултоне, асинхронный двигатель — это просто электрический трансформатор, магнитная цепь которого разделена воздушным зазором между обмоткой статора и обмоткой движущегося ротора. Соответственно, эквивалентная схема может быть показана либо с компонентами эквивалентной схемы соответствующих обмоток, разделенными идеальным трансформатором, либо с компонентами ротора, относящимися к стороне статора, как показано в следующей схеме и связанных с ней уравнениях и таблицах определения параметров.

Эквивалентная схема Штейнмеца

К схеме применимы следующие эмпирические приближения:

• Максимальный ток возникает в условиях тока запертого ротора (LRC) и несколько меньше $V_{\text{s}}/X$, при этом LRC обычно превышает номинальный ток в 6–7 раз для стандартных двигателей конструкции B.
• Крутящий момент пробоя $T_{\text{max}}$ происходит, когда $s\approx R_{\text{r}}'/X$ и $I_{\text{s}}\approx 0.7\;LRC$ такой, что $T_{\text{max}}\approx KV_{\text{s}}^{2}/2X$ и, таким образом, при постоянном входном напряжении максимальный номинальный крутящий момент асинхронного двигателя с малым скольжением составляет примерно половину его номинального процентного LRC.
• Относительное реактивное сопротивление рассеяния статора к ротору стандартных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором конструкции B составляет

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

• Если пренебречь сопротивлением статора, кривая крутящего момента асинхронного двигателя сводится к уравнению Клосса.

  $T_{\text{em}}\approx {\frac {2T_{\text{max}}}{{\frac {s}{s_{\text{max}}}}+{\frac {s_{\text{max}}}{s}}}}$, где $s_{\text{max}}$ скользит в $T_{\text{max}}$.

показывать Определения параметров схемы
		Units
$f$	stator source frequency	Hz
$f_{\text{s}}$	stator synchronous frequency	Hz
$n_{\text{r}}$	rotor speed in revolutions per minute	rpm
$n_{\text{s}}$	synchronous speed in revolutions per minute	rpm
$I_{\text{s}}$	stator or primary current	A
$I_{\text{r}}'$	rotor or secondary current referred to stator side	A
$I_{\text{m}}$	magnetizing current	A
$j={\sqrt {-1}}$	imaginary number, or 90° rotation, operator
$K_{\text{TE}}$	$=X_{m}/\left(X_{s}+X_{m}\right)$ Thévenin reactance factor
$m$	number of motor phases
$p$	number of motor poles
$P_{\text{em}}$	electromechanical power	W or hp
$P_{\text{gap}}$	air gap power	W
$P_{\text{r}}$	rotor copper losses	W
$P_{\text{o}}$	input power	W
$P_{\text{h}}$	core loss	W
$P_{\text{f}}$	friction and windage loss	W
$P_{\text{rl}}$	running light watts input	W
$P_{\text{sl}}$	stray-load loss	W
$R_{\text{s}},X_{\text{s}}$	stator or primary resistance and leakage reactance	Ω
$R_{\text{r}}',X_{\text{r}}'$	rotor or secondary resistance & leakage reactance referred to the stator side	Ω
$R_{\text{o}},X_{\text{o}}$	resistance & leakage reactance at motor input	Ω
$R_{\text{TE}},X_{\text{TE}}$	Thévenin equivalent resistance & leakage reactance combining $R_{\text{s}},X_{\text{s}}$ and $X_{m}$	Ω
$s$	slip
$T_{\text{em}}$	electromagnetic torque	Nm or ft-lb
$T_{\text{max}}$	breakdown torque	Nm or ft-lb
$V_{\text{s}}$	impressed stator phase voltage	V
$X_{\text{m}}$	magnetizing reactance	Ω
$X$	$X_{s}+X_{r}'$	Ω
$Z_{\text{s}}$	stator or primary impedance	Ω
$Z_{\text{r}}'$	rotor or secondary impedance referred to the primary	Ω
$Z_{\text{o}}$	impedance at motor stator or primary input	Ω
$Z$	combined rotor or secondary and magnetizing impedance	Ω
$Z_{\text{TE}}$	Thévenin equivalent circuit impedance, $R_{\text{TE}}+X_{\text{TE}}$	Ω
$\omega _{\text{r}}$	rotor speed	rad/s
$\omega _{\text{s}}$	synchronous speed	rad/s
$Y$	$=G+jB={\frac {1}{Z}}={\frac {1}{R+jX}}={\frac {R}{Z^{2}}}-{\frac {jX}{Z^{2}}}$	S or Ʊ
$\left\vert Z\right\vert$	${\sqrt {R^{2}+X^{2}}}$	Ω

показывать Основные электрические уравнения

$\omega _{\text{s}}={\frac {2\pi n_{\text{s}}}{60}}=2\pi f_{\text{s}}={\frac {4\pi f}{p}}$ Motor input equivalent impedance $Z_{\text{m}}=R_{\text{s}}+jX_{\text{s}}+{\frac {\left({\frac {1}{s}}R_{\text{r}}'+jX_{r}'\right)jX_{\text{m}}}{{\frac {1}{s}}R_{\text{r}}'+j\left(X_{\text{r}}'+X_{\text{m}}\right)}}$ Stator current $I_{\text{s}}=V_{\text{s}}/Z_{\text{m}}=V_{\text{s}}/\left(R_{\text{s}}+jX_{\text{s}}+{\frac {\left({\frac {1}{s}}R_{\text{r}}'+jX_{\text{r}}'\right)jX_{\text{m}}}{{\frac {1}{s}}R_{\text{r}}'+j\left(X_{\text{r}}'+X_{m}\right)}}\right)$ Rotor current referred to the stator side in terms of stator current $I_{\text{r}}'={\frac {jX_{m}}{{\frac {1}{s}}R_{\text{r}}'+j\left(X_{\text{r}}'+X_{\text{m}}\right)}}I_{\text{s}}$

показывать Уравнения мощности

From Steinmetz equivalent circuit, we have ${\frac {1}{s}}R_{\text{r}}'=R_{\text{r}}'{\frac {1-s}{s}}+R_{\text{r}}'$ That is, air gap power is equal to electromechanical power output plus rotor copper losses ${\begin{aligned}P_{\text{gap}}&=P_{\text{em}}+P_{r}\\P_{r}&=3R_{\text{r}}'I_{\text{r}}^{\prime 2}\\P_{\text{gap}}&={\frac {3R_{\text{r}}'I_{\text{r}}^{\prime 2}}{s}}\\P_{\text{em}}&=3R_{\text{r}}'I_{\text{r}}^{\prime 2}{\frac {1-s}{s}}\\P_{\text{em}}&=P_{\text{gap}}(1-s)\end{aligned}}$ Expressing electromechanical power output in terms of rotor speed $P_{\text{em}}={\frac {3R_{\text{r}}'I_{\text{r}}^{\prime 2}n_{\text{r}}}{sn_{\text{s}}}}$ (watts) $P_{\text{em}}={\frac {3R_{\text{r}}'I_{\text{r}}^{\prime 2}n_{\text{r}}}{746\;sn_{\text{s}}}}$ (hp) Expressing $T_{\text{em}}$ in ft-lb: $P_{\text{em}}={\frac {T_{\text{em}}n_{\text{r}}}{5252}}$ (hp)

показывать Уравнения крутящего момента

$T_{\text{em}}={\frac {P_{\text{em}}}{\omega _{r}}}={\frac {\frac {P_{\text{r}}}{s}}{\omega _{s}}}={\frac {3I_{\text{r}}^{\prime 2}R_{\text{r}}'}{\omega _{\text{s}}s}}$ (newton-meters) In order to be able to express $T_{\text{em}}$ directly in terms of $s$, IEEE recommends that $R_{\text{s}},X_{\text{s}}$ and $X_{\text{m}}$ be converted to the Thévenin equivalent circuit IEEE recommended Thévenin equivalent circuit where $V_{\text{TE}}={\frac {X_{\text{m}}}{\sqrt {R_{\text{s}}^{2}+(X_{\text{s}}+X_{\text{m}})^{2}}}}V_{\text{s}}$ $Z_{\text{TE}}=R_{\text{TE}}+jX_{\text{TE}}={\frac {jX_{\text{m}}\left(R_{\text{s}}+jX_{\text{s}}\right)}{R_{\text{s}}+j\left(X_{\text{s}}+X_{\text{m}}\right)}}$ Since $R_{\text{s}}^{2}\gg {\left(X_{\text{s}}+X_{\text{m}}\right)^{2}}$ and $X_{\text{s}}\ll X_{\text{m}}$, and letting $K_{\text{TE}}={\frac {X_{\text{m}}}{X_{\text{s}}+X_{\text{m}}}}$ $V_{\text{TE}}\approx Z_{\text{TE}}V_{\text{s}}$ and $Z_{\text{TE}}\approx K_{\text{TE}}^{2}R_{\text{s}}+jX_{\text{s}}$ $T_{\text{em}}={\frac {3V_{\text{TE}}^{2}}{\left(R_{\text{TE}}+{\frac {1}{s}}R_{\text{r}}'\right)^{2}+\left(X_{\text{TE}}+X_{r}'\right)^{2}}}\cdot {\frac {1}{s}}R_{\text{r}}'\cdot {\frac {1}{\omega _{\text{s}}}}$ (N·m) For low values of slip: Since $R_{\text{TE}}+R_{\text{r}}'\gg R_{\text{TE}}+X_{\text{r}}'$ and $R_{\text{r}}'\gg R_{\text{TE}}$ $T_{\text{em}}\approx {\frac {1}{\omega _{\text{s}}}}\cdot {\frac {3V_{\text{TE}}^{2}}{R_{\text{r}}'}}s$ (N·m) For high values of slip Since $R_{\text{TE}}+R_{r}'\ll R_{\text{TE}}+X_{r}'$ $T_{\text{em}}\approx {\frac {1}{\omega _{\text{s}}}}\cdot {\frac {3V_{\text{TE}}^{2}}{\left(X_{\text{s}}+X_{\text{r}}'\right)^{2}}}\cdot {\frac {R_{\text{r}}^{\prime 2}}{s}}$ (N·m) For maximum or breakdown torque, which is independent of rotor resistance $T_{\text{max}}={\frac {1}{2\omega _{s}}}\cdot {\frac {3V_{\text{TE}}^{2}}{R_{\text{TE}}+{\sqrt {R_{\text{TE}}^{2}+(X_{\text{TE}}+X_{\text{r}}')^{2}}}}}$ (N·m) Corresponding slip at maximum or breakdown torque is $s={\frac {R_{\text{r}}'}{\sqrt {R_{\text{TE}}^{2}+\left(X_{\text{TE}}+X_{\text{r}}'\right)^{2}}}}$ In foot-pound units $T_{\text{em}}={\frac {21.21\;I_{r}^{\prime 2}R_{\text{r}}'}{n_{\text{r}}s}}$ (ft-lb) $T_{\text{em}}={\frac {7.04\;P_{\text{gap}}}{n_{\text{s}}}}$ (ft-lb)

Линейный асинхронный двигатель

Основная статья: Линейный асинхронный двигатель

Линейные асинхронные двигатели, работающие по тем же общим принципам, что и роторные асинхронные двигатели (часто трехфазные), предназначены для обеспечения прямолинейного движения. Область применения включает магнитную левитацию , линейное движение, линейные приводы и перекачку жидкого металла .

См. также

• двигатель переменного тока
• Круговая диаграмма
• Индукционный генератор
• Премиальная эффективность
• Переменный расход хладагента

Классические источники

• Бейли, Бенджамин Франклин (1911). Асинхронный двигатель . МакГроу-Хилл. индукционный двигатель.
• Беренд, Бернхард Артур (1901). Асинхронный двигатель: краткий трактат о его теории и конструкции с многочисленными экспериментальными данными и диаграммами . Издательская компания McGraw / Мир электротехники и инженер.
• Бой де ла Тур, Анри (1906). Асинхронный двигатель: его теория и конструкция, изложенные практическим методом расчета . Перевел Сиприена Одилон Майу. МакГроу Паб. Ко.

Внешние ссылки

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