Двигатели переменного тока. Принцип работы, характеристики и управление

Продолжаем наш ликбез по движкам. На этот раз речь пойдет о переменном токе, трехфазных движках разной конструкции. Их характеристикам, устройству и принципу работы. Ну и заодно подготавливаем почву под BLDC, так как там получается зверский гибрид всего и вся.
 

▌Вращающееся поле
Вращающееся поле это краеугольный камень всех машин переменного тока. Без него ничего не было бы и все было бы уныло и пресно. Делается оно посредством хитрой обмотки и хитрого напряжения. Сейчас подробно покажу как.
 

Начнем с упрощенной одновитковой обмотки. Вот такой:

Подаем на него напряжение, получаем ток, создающий магнитный поток. Направление потока зависит от направления тока. Определяется по правилу буравчика. Вспоминаем курс физики из школы :) Если сунуть туда синусоидальное напряжение, то поток через обмотку будет шнырять туда-сюда по синусоидальному же закону.
 

Берем три обмотки и ставим их так, чтобы магнитное поле, ими генерируемое, было направленно под 120 градусов относительно катушек.
 

Получаем упрощенный вариант статора. Соединяем обмотки треугольником:

Оставим от него только направления векторов, чтобы посмотреть на это в разрезе. И загоняем в эту обмотку трехфазное напряжение. Три синуса, сдвинутые под 120 градусов.
 

Если взять в какой-либо момент времени напряжения и разложить магнитные потоки по векторам, которые задают наши катушки, с учетом знака, а потом все суммировать, то получим результирующий вектор магнитной индукции трех катушек. Проделав ту же операцию на несколько углов вперед будет явно видно, что результирующий вектор вращается аки часовая стрелка.
 

Т.е. статор, с точки зрения магнитного поля, ведет себя как вращающийся магнит. Делающий один оборот за период. Вот вам каноничная картинка, что есть в каждом учебнике по электромашинам. Полный оборот поля. Я лишь сделал ее более няшный вариант, раскрасив витки в цвета обмоток, чтобы по феншую было все.
 

Скорость вращения поля зависит от частоты сети. n1 = 60*f (об/мин) эта скорость зовется синхронной скоростью. Но не все так просто. Количество полюсов машины может быть и иным. Выше был пример статора двухполюсной машины. Два полюса потому, что там у результирующего магнитного потока есть север и юг и все. Но полюсов может быть больше.
 

Для этого обмотку каждой фазы делают из двух соединенных катушек, как то так:

И размещают их со сдвигом в 60 градусов. Вот, примерно, следующим образом. Тут у меня по одному недавитку, но их может быть и сто. Соединение секций между собой выделено более тонким проводом и чуть другим цветом.
 

 

В результате получается вот такая вот магнитная схема:
 

Видно, что эти четыре гипножабы образуют четыре полюса, два северных, два южных. А дальше как в старом советском мультике… пока ты на коне на четырех ногах раааз, двааа, триии, четырее… он на своих двоих раз-два, раз-два, раз-два. В четырехполюсном движке поле вращается вдвое медленней, т.к. за один период оно пробежит только пол оборота. Чем больше полюсов, тем медленней вращается поле.
 

С учетом количества полюсов синхронная скорость вычисляется так: n1=60*f/p ,где p — число катушек в одной фазе. Правда тут стоит учитывать такой случай, что катушки можно намотать так, что две будут вести себя как одна. В этом случае, естественно, считаем ее за одну, хоть их физически и две.
 

На этом принципе, кстати, в некоторых случаях делают управление скоростью двигателя. Т.е. хитро переключая катушки делают, например, либо два полюса, либо четыре. Ступенчато переключая скорость.
 

▌Реверс поля
Тут даже и говорить нечего — меняем местами две фазы и поле поехало в другую сторону. Элементарно :)
 

▌Асинхронный двигатель
Вы наверняка все знаете его. Помнишь как в детстве, разбираешь движок, надеешься на нямку и ништяки, а оттуда выпадает тупая алюминиевая блямба и обламывает весь кайф. Вот такой вот, малята, АД. В смысле асинхронный двигатель.
 

Асинхронный двигатель это король электропривода. Он технологичен, а значит дешев. Надежен, там трутся только подшипники. Прост и легко запускается. Не требует никакого дорогостоящего барахла, вроде редкоземельных магнитов. Есть у него и недостатки — сложности регулирования скорости и своебразная механическая характеристика, но все это решается умной электроникой.
 

Как же он работает то? Сейчас разберем.
 

Итак, у нас есть статор и его вращающееся поле:

в него мы помещаем короткозамкнутую обмотку ака «беличье колесо»

Она состоит из штырей закороченных на лобовые кольца. А обычно еще проще делают. Набирают шихтованный ротор (т.е. из изолированных пластин, чтобы гасить вихервые токи) окаливают его, создавая тем самым изоляцию, а потом заливают в пазы цельнолитую алюминиевую обмотку. Дешево, просто, технологично.
 

Так вот, поле бежит мимо этих штырей наводя в них ЭДС. А так как обмотка замкнута, то эта ЭДС порождает ток. Но если у нас есть ток и есть магнитное поле статора, то должна неминуема появиться сила Ампера. И она появляется. Обмотка начинает увлекаться за полем. Но догнать его не может никогда, ведь если она его догонит, то движение поля относительно обмоток станет равным нулю и сила пропадет. Вот так и плетется она в конце на подсинхронной частоте. Потому и зовется двигатель асинхронным. А относительная разность скорости поля и ротора зовется скольжением.
 

s=(n1-n)/n1
 

Измеряется в единицах или процентах. Обычно, на номинальном моменте, скольжение составляет 2-7% С ростом нагрузки скольжение растет. А скорость вращения движка завязана на скорость поля. Что сильно обламывает любителей регулировать скорость. Потому то асинхронные двигатели до сих пор не вытеснили те же коллекторные отовсюду откуда можно. Мало того, что им нужна переменка, так еще и не погазуешь нифига.
 

▌Механическая характеристика АД. Пуск и регулирование скорости
Она весьма извилистая, с рядом приколов. Вот такая:

Обратите внимание на разницу между пусковым и максимальным моментом. Т.е. движок должен стартануть в относительно тепличных условиях и лишь потом можно его грузить. Да и то до некоторого предела, до точки Ж, где случается жопа. Машина теряет устойчивость, момент резко снижается, а обороты падают до нуля. Движок лишь беспомощно дергается и очень сильно греется. Ведь в этот момент он превращается в обычный трансформатор у которого ротор это вторичная обмотка и она закорочена наглухо.
 

Вариантов борьбы с этим явлением несколько. Обычно конструктивные, делают либо две беличьи клетки одна над другой, либо просто глубокие пазы, т.е. клетка получается не из прутьев, а из пластин. Это снижает разницу между моментом критическим и пусковым. Еще, в особо тяжелых случаях, вроде кранового привода, делают фазный ротор. Т.е. обмотка не беличья клетка, а нормальная обмотка трехфазная. Из провода, ее концы с одной стороны соединены звездой, а с другой вытащены наружу через контактные кольца. Вот как на этой картинке под четвертым номером:
 

 

С них заводят на пусковые сопротивления:

И при пуске вводят все сопротивления в ротор, при этом ток падает, механическая характеристика проседает, а пусковой момент увеличивается. Потом, по мере разгона, сопротивления выводят посекционно, а движок переходит с одной характеристики на другую, пока не выйдет на естественную. Делается это автоматом, по реле времени или через реле контроля скорости.
 

Впрочем, это вам так, для общего развития. Не думаю, что с таким пуском столкнетесь вживую. Разве что вы не работаете цеховым электриком и колупаете краны выпуска еще прошлого века. Сейчас все это активно отмирает и заменяется на частотное регулирование.
 

Снижение напряжения фазного дает лишь некоторое смягчение характеристики, с падением момента. Но обороты остаются в целом прежними.

 

Т.е. по простому скоростью не порулишь как хочется. Что делать? На помощь тут идет электроника и частотное регулирование. Т.е. мы сетевое напряжение сначала выпрямляем, а потом на инверторе вкручиваем любую частоту какая нам нужна. И профиты сплошные. выглядит это так:

 
Но тут мы наблюдаем другую проблему — разгоняя частоту мы теряем в критическом моменте и снижается пусковой момент. Почему? А дело все в том, что поток завязан на частоту.
 
Если пренебречь падением напряжения на обмотках статора, то ЭДС примерно будет равна напряжению на фазах движка.
 

Uф≈K Φ f1

 

К — конструктивный коэффициент.
 
Т.е. у нас поток Ф зависит от частоты. Повышаем частоту и чтобы уравнение выполнялось должен снизиться поток, со всеми последствиями в виде провала по моменту.
 

Но что если заложить номинальную частоту в максимум возможного для данного двигателя, а регулировать вниз? Тут тоже проблемы возникнут. Поток будет расти, но бесконечно расти он не сможет, железо магнитопровода перенасытится и упадет КПД. Это просто энергетически невыгодно, зачем нам грелка, когда нужна крутилка?
 
Так что при изменении частоты не помешает и подкорректировать напряжение так, чтобы держать поток в пределах номинального, так потерь меньше.
 

▌Синхронный двигатель
Еще одна забавная машинка, работающая на вращающемся поле. Вспомним картинку вращающегося поля и сунем в ее чрево постоянный магнит.

Опа, магнит вращается синхронно полю. Механическую характеристику этого безобразия я даже не буду рисовать. Она скучна как пульс у трупа. Скорость жестко завязана на скорость поля и не зависит от момента, совсем. Абсолютно жесткая механическая характеристика.
 

Разумеется это не навсегда, если момент будет сильней поля, то он может оторвать его от поля, движок выпадет из синхронизма и настанет жопа — сам он в синхронный режим уже не вернется. Тут ситуация еще хуже чем с асинхронным двигателем. Синхронный двигатель даже нормально запуститься не сможет. Т.е. если его воткнуть в сеть то фиг он куда поедет, будет стоять и беспомощно дрыгаться. Вот такая, херня, малята.
 

Дети, давайте поможем дедушке двигателю стартануть! Что надо сделать? Правильно, Петя, надо подружить его с асинхронным двигателем — сунуть ему в нутро до кучи еще и беличью клетку. Это будет пусковая обмотка. Она рванет движок со старта, доведет его до подсинхронной частоты, а там он втянется в синхронизм как удав в пылесос. Правда момент такого пуска слабоват, но хоть что то. Но такие проблемы это геморрой еще прошлого века.
 

Сейчас есть новые, усовершенствованные методы старта синхронного двигателя. Потому, что у нас прогресс, модернизация в стране и нанотехнологии. В первую очередь я имею ввиду частотный пуск. Т.е. когда при старте поле статора не рвет с нуля на номинальные обороты, а нежно хватает движок за торчащие из ротора яй… эээ силовые линии магнитного поля и начинает плавно разгонять пока не выведет в номинал. Еще в начале может быть ориентирующий рывок, когда напряжение подается статично, на одну из фаз, чтобы придать ротору какой-то определенный ориентир, а дальше уже разгон.
 

Наиболее наглядно это можно увидеть на приводе шпинделя жесткого диска. Если у вас есть убитый жесткач, то разберите его и подайте питание на плату. Увидите, как движок плавно стартанет, но если его затормозить, то он встанет и будет лишь вяло вяло крутиться — выпал из синхронизма. Если сможете разогнать его до 7200 оборотов, то он втянется, и будет дальше вращаться как ни в чем не бывало.
 

Устранение этого недостатка может быть только одно — контроль положения ротора, т.е. система управления зорко глядит на то куда повернут ротор и не дает полю его упустить. Если движок нагружается, поле притормаживает, следуя за ротором так, чтобы получить наибольший момент. Способов следить много. Это и сельсины и датчики холла и энкодеры и оптика всякая. Есть еще и извращенские способы по замеру индукции на обмотке, что часто практикуется в модельных инверторах. И со всей этой тряхомудией это уже получается самый настоящий BLDC о которых я тоже когда-нибудь расскажу. Через пару лет, ага. Бугагага!
 

Регулирование синхронного двигателя сходно с асинхронным. Те же приколы связи частоты, потока и напряжения. Т.к. статор там точно такой же. Разве что скольжения нет, но есть критический момент, а он завязан на поток.
 

45 thoughts on “Двигатели переменного тока. Принцип работы, характеристики и управление”

  1. Классная статья:) Впрочем как и все остальные. Почаще бы, а то SPI интерфейс и работу с SD картами (FAT32/16) Вы еще не разбирали, а хотелось бы:) И желательно на asm’е XD

  2. Спасибо за статью! Разложил по полочкам почти семестровый курс по элмашу, только без кучи формул :)

    У тебя тут кажется небольшая ошибка:
    Сейчас есть новые, усовершенствованные методы старта асинхронного двигателя.
    Наверное имелось ввиду синхронного двигателя. Сбивает с толку немного.

    ЗЫ. В чем картинки рисовал? :)

    1. Есть векторное управление асинхронной/синхронной машиной. При тривиальном частотном управлении тупо задаётся частота. Если открыть учебник и посмотреть зависимость электромагнитного момента от напряжения U и частоты f, то как то так: M=k*(U^2)/f. Т.е. если тупо разгонять частотой, электромагнитный момент не стабилен. Поэтому как правило применяют всякие законы Костенко типа U/f=r=const, тогда M=k*r*U. Фишка в том, что это усредненный электромагнитный момент. На практике он прекрасно работает везде, где не нужна точность типо рольганги, вентиляторы и пр., где вся задачи «закрутить» и чтобы как-то скорость изменялась. В задачах, где нужна точность/стабильность (станки и пр), а так же для плавного пуска нужно напрямую управлять моментом. Для этого и используется векторное управление. Если в нескольких предложениях: берутся фактические уравнения асинхронного двигателя, переписываются для другой системы координат и тогда уравнения асинхронника 1 в 1 совпадают с уравнениями двигателя постоянного тока. К инвертору ставится блок прямого преобразования координат; над получившимися переменными осуществляют управления (1 в 1 как с движком пост.тока) и ставят блок обратного преобразования координат

      1. А в чем прикол векторного управления для синхронной машины. Ведь там можно поставить простейшие датчики положения и реализовать электронный коллектор и получить ту же машину постоянного тока. С автоматической завязкой частоты на вращение. И дальше руля только напряжением получать любой ток/момент и обороты, соответственно.

        1. Для маломощных ,в основном, чтобы ограничить ток. Не по части «отрубить» при перегрузке, а ограничить до уставки. Для мощных синхронников — тупо запустить.Ты же знаеш -у синхронников нулевой пусковой момент и когда начинаеш их запуск (даже при запуске с раскруткой от другого движка) эту 250кВт+ штуку начинает трясти. Превратив его «постоянник» засчёт векторного управления, реализуется в прямом смысле «плавный» пуск.

          1. Так не, синхронник с датчиками положения это тот же самый коллекторник получается. Т.е. там угол поля всегда в нужном положении. Он стартует точно также как коллекторник. Может конечно эту мульку для синхронников и зовут векторным управлением, но у нас на кафедре векторным звали только управление АД, где именно что надо горой матана координаты преобразовывать и приводить в одну систему.

          2. другая проблема этого управления в том, что для настройки регуляторов, как это делается в электроприводе постоянного тока «на глаз», не прокатит: их надо расчитывать исходя из параметров схемы замещения машины, а ты их не знаеш. Есть способы/хитрости посчитать все для типовых движков. Меня как-то пригласили «настроить» частотники в кол-ве 68 штук 3кВт. Промучался 3 дня — нифига. Потом заметил — у них коэффициент мощности 0.3. Все эти методы -не работают-)

          3. ты исходиш из простого понимания работы движка. Его предостаточно, чтобы понять как это работает и почему. Есть процессы в статике (синхронный двигатель — это электрическая машина, частота вращения которой равна синхронной частоте), есть процессы в динамике. У синхронного движка проблемы с моментом:мощность ( в идеале) равна P=M*W, где M-момент,W- скорость. Если нагрузка изменяется (а она всегда изменяется, если это не подъемный кран ^_^), будет прыгать и момент (ведь скорость постоянна). Например, для вальцетокарного станка это означает, что с одной стороны где-то «переточится», а для другой- где-то «недоточется».Поэтому помимо скорости, над управлять и моментом

            1. Не, ну а чем синхронный с датчиками отличается от коллекторного обращенного? Он уже не синхронный в общепринятом понимании. Там нет вращающегося извне поля, он поле сам себе вращает, как коллекторник. И рабочий момент у него, стало быть, с нуля оборотов с рождения, как у коллекторного.

  3. Спасибо за статью, приятно вспомнить электротехнику. Кстати давно назрел такой вопрос по двигателям: сейчас в новостях часто приходится слышать, что предприятие такое-то выпустило новый электровоз, тролейбус, вагон метро и тп. с супер экономичным асинхронным двигателем и при этом еще и рекупирацией хвастаются. Я вот так и не догоняю как можно на асинхронном двигателе рекупирацию получить. Или это не совсем асинхронный двигатель, французы в свои скоросные поезда вроде в ротор мощные магниты ставят.

    1. По идее для перехода в генераторный режим нужно просто уменьшить частоту в питающих обмотках. Пока частота вращения вала будет оставаться выше, двигатель будет работать в генераторном режиме.

  4. » … Так вот, поле бежит мимо этих штырей наводя в них ЭДС. А так как обмотка замкнута, то эта ЭДС порождает ток. Но если у нас есть ток и есть магнитное поле статора … »
    Опечатка, если я правильно понял смысл предложения, то последнее слово должно быть «ротора»
    Хорошая статься, спасибо.
    Вращающееся поле наглядно показано в этом фильме: http://www.youtube.com/watch?v=xb7PaKU1nmc
    Я уже приводил эту ссылку в комментариях к предыдущей статье про коллекторные двигатели, но может кто не видел.

    1. Неа, никакой опечатки. Для возникновения силы Ампера нужны две составляющие — проводник с током и магнитное поле. В данном случае первой является короткозамкнутый ротор АД, в котором протекает ток, а второй — магнитное поле статора. Ротор, конечно, создает свое магнитное поле, но это не важно для объяснения сути.

  5. Правда тут стоит учитывать такой случай, что катушки можно намотать так, что две будут вести себя как одна. В этом случае, естественно, считаем ее за одну, хоть их физически и две.

    А как оно выглядит?

    И еще, если взять мотор от харда и прицепить его к контроллеру от BLDC, какой двигатель получается в итоге? BLDC или PMSM?

    1. Как выглядит? Ну помнишь зубцы на обмотке. Обычно мотают их как ABCABCABCABC, . но можно намотать и как AA BB CC AA BB CC и будет вдвое меньше число полюсов. И вдвое больше оборотов.

      Вообще я толком не понял. По нагрузке выглядело как BLDC т.е. нагрузка на валу вызвала изменение частоты и снижение напряжения. Однако при клине срывало вращения напрочь, но я не исключаю того факта, что это просто сработала защита авимодельнго движка, с логикой что мол если клинанула, то вращать не надо, чтобы не расхерачить модель окончательно.

      1. Ну, это возможно от ESC’и зависит. У меня одна после остановки двигателя (модельного правда, к хдд-шному паяться лень) не всегда заново раскручивала, вторая всегда. Возможно настройки разные.
        Ну и конечно после клина под нагрузкой, как коллекторник или, тем паче, ТЭД не стартует — без датчиков старт только методом плавной раскрутки.

    1. Униполярный движитель. Мы помню такой делали из шурупа и магнита от наушников, прямо на уроке физики. Чем взорвали нашей физичке мозги, она так и не смогла объяснить как это работает.

    1. Да там вроде несложно все. Только замер индукции обмотки это говно, а не метод. Работает только на скорости, чувствителен к помехам. У него одно достоинство — дешевизна. Для вентиляторов всяких канает, а для прецизионного привода уже нет.

      1. Я про то, как делают моделисты или для квадрокоптеров, где нету датчиков положения.
        Тут даже в сообществе было про «расстановку точек над HDD».
        Но у меня даже один-в-один повторённая оттуда схема с прошивкой только мосфеты греет и двигатель дёргает ( Где-то серьёзно ошибаюсь.

        1. Ты начни с малого. С синхронной машины с плавным частотным пуском. Забей пока на контроль положения ротора. Раскрути его в синхронном режиме.

          Затем начни замерять ЭДС. И соотнеси фазы с положениями обмоток. И разберись в каком положении тебе какую обмотку надо включать.

          А ты скорей всего не угадал по фазам. Т.е. включаешь не ту обмотку.

          1. В синхронном режиме работает на очень маленьких оборотах (типа 10-20 Гц), а потом срывается и только жужжит. Жалко осцилла рядом пока нету, чтобы посмотреть, что там происходит. Как доберусь до него, дело быстрей пойдёт!

  6. Но если у нас есть ток и есть магнитное поле статора, то должна неминуема появиться сила Ампера. И она появляется.

    ха-ха! Напомнило Одесские рассказы :)

  7. это уже получается самый настоящий BLDC о которых я тоже когда-нибудь расскажу. Через пару лет, ага. Бугагага!
    Эх, жалко, что статья закончилась на самом интересном месте.
    Хотелось бы прочитать про опыт программирования регуляторов скорости BLDC.

  8. Интересна работа в генераторном режиме без преобразователя, т.е. возбуждение генератор будет получать от ёмкостей, а первоначальный толчок от остаточной намагниченности. Кто нибудь занимался этим вопросом? В частности интересует чем коммутировать разные ёмкости для разного возбуждения?

    1. Закончил макетный образец регулятора для асинхронного генератора с возбуждением на ёмкостях. Синусоида напряжения прям как в учебниках получилась. Собственно ответ на мой вопрос.

    1. Это мой блог. Но можно написать на we.easyelectronics.ru там коллективная авторская тусовка. При регистрации попросит код, его можно у меня спросить по почте (адрес там будет)

  9. «И при пуске вводят все сопротивления в ротор. Потом, по мере разгона, сопротивления выводят посекционно, а движок переходит с одной характеристики на другую, пока не выйдет на естественную.

    Впрочем, это вам так, для общего развития. Не думаю, что с таким пуском столкнетесь вживую. Разве что вы не работаете цеховым электриком и колупаете краны выпуска еще прошлого века. Сейчас все это активно отмирает и заменяется на частотное регулирование. »

    Но столкнуться с такой схемой разгона гораздо проще чем кажется, еще очень много старых трамваев, троллейбусов да и эскалаторы в метрополитене чуть больше чем полностью реализованы именно на сопротивлениях в цепи ротора. Например в СПб на весь метрополитен всего 4 станции с частотным приводом…)

Добавить комментарий