Универсальный мотор - Universal motor
В универсальный мотор это тип электрический двигатель которые могут работать либо на AC или ОКРУГ КОЛУМБИЯ мощность и использует электромагнит в качестве статор создать его магнитное поле.[1] Это коммутируемый двигатель с последовательным заводом где статор с катушки возбуждения соединены последовательно с обмотками ротора через коммутатор. Его часто называют двигателем переменного тока. Универсальный двигатель очень похож на двигатель постоянного тока по конструкции, но немного изменен, чтобы двигатель мог нормально работать от сети переменного тока. Этот тип электродвигателя может хорошо работать на переменном токе, потому что ток как в катушках возбуждения, так и в арматура (и результирующие магнитные поля) будут чередоваться (обратная полярность) синхронно с источником питания. Следовательно, результирующая механическая сила будет возникать в постоянном направлении вращения, независимо от направления приложенного напряжения, но определяется коммутатором и полярностью катушек возбуждения.[2]
Универсальные двигатели имеют высокий пусковой крутящий момент, могут работать с высокой скоростью, они легкие и компактные. Они обычно используются в портативных электроинструментах и оборудовании, а также во многих бытовых приборах. Они также относительно легко управляются электромеханически с помощью катушек с отводами или электронным способом. Однако коммутатор имеет кисти из-за износа, поэтому они гораздо реже используются для оборудования, которое постоянно используется. Кроме того, отчасти из-за коммутатора универсальные двигатели обычно очень шумные как в акустическом, так и в электромагнитном отношении.[3]
Характеристики
Не все двигатели с последовательной обмоткой хорошо работают от переменного тока.[4][примечание 1]Если бы обычный двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой был подключен к источнику переменного тока, он бы работал очень плохо. Универсальный двигатель модифицирован несколькими способами, чтобы обеспечить правильную работу источника переменного тока. Существует компенсационная обмотка обычно добавляются вместе с многослойными полюсными наконечниками в отличие от сплошных полюсных наконечников 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 снижает индуктивность.[5]
Эффективность
Даже при использовании с питанием переменного тока эти типы двигателей могут работать с частотой вращения, значительно превышающей частоту вращения сети, а поскольку большинство характеристик 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 более крупных.[5]
Моментно-скоростные характеристики
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 остановился, ток ограничивается только общим сопротивлением обмоток, а крутящий момент может быть очень высоким, и существует опасность перегрева обмоток. Противо-ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. При первом подаче питания на двигатель якорь не вращается. В этот момент противо-ЭДС равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя невелико; следовательно, ток через якорь при подаче питания будет очень большим. Следовательно, 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 скорости вращения двигателя сопротивление постепенно снижается. Характеристика "скорость-момент" представляет собой почти идеально прямую линию между крутящим моментом при остановке и скоростью холостого хода. Это подходит для больших инерционных нагрузок, так как скорость будет падать до тех пор, пока двигатель не начнет медленно вращаться, и эти двигатели будут иметь очень высокий тормозной момент.[6]
По мере увеличения скорости индуктивность ротора означает, что идеальная точка коммутации изменяется. Маленькие двигатели обычно имеют фиксированную коммутацию. Хотя некоторые более крупные универсальные двигатели имеют вращающуюся коммутацию, такое бывает редко. Вместо этого более крупные универсальные двигатели часто имеют компенсационные обмотки последовательно с двигателем или иногда индуктивно соединены и расположены под углом 90 электрических градусов к оси главного поля. Это снижает реактивное сопротивление якоря и улучшает коммутацию.[5]
Одно полезное свойство наличия обмоток возбуждения последовательно с обмоткой якоря заключается в том, 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, 4000–16000 Об / мин и может превышать 20000 Об / мин.[5] В отличие от синхронного переменного тока и короткозамкнутого ротора. асинхронные двигатели не может вращать вал быстрее, чем разрешено частота линии электропередачи. В странах с 60 Электропитание переменного тока Гц, эта скорость ограничена до 3600 Об / мин.[7]
Повреждение двигателя может произойти из-за превышения скорости (работа с частотой вращения, превышающей расчетные пределы), если агрегат эксплуатируется без значительной механической нагрузки. На более мощных двигателях следует избегать внезапной потери нагрузки, и возможность такого явления включена в схемы защиты и управления двигателя. В некоторых небольших приложениях лопасть вентилятора прикрепленный к валу, часто действует как искусственная нагрузка для ограничения скорости двигателя до безопасного уровня, а также как средство для циркуляции охлаждающего воздуха по якорю и обмоткам возбуждения. Если бы универсальный двигатель не имел механических ограничений, он теоретически мог бы выйти из-под контроля так же, как любой двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой может.[3]
Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники питания переменного тока могут использоваться на двигателях, которые имеют некоторые характеристики, более общие для двигателей постоянного тока, в частности, высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию, если используются высокие скорости вращения.[3]
Недостатки
Отрицательным моментом являются проблемы с обслуживанием и коротким сроком службы, вызванные коммутатор, а также электромагнитная интерференция (EMI) проблемы из-за искрения. Из-за относительно сложных щеток коллектора, требующих технического обслуживания, универсальные двигатели лучше всего подходят для таких устройств, как миксеры для пищевых продуктов и электроинструменты, которые используются только с перерывами и часто требуют высокого пускового момента.
Еще один отрицательный аспект заключается в том, что эти двигатели можно использовать только там, где постоянно присутствует преимущественно чистый воздух. Из-за резко повышенного риска перегрева, полностью закрытый вентилятор с охлаждением универсальные двигатели были бы непрактичными, хотя некоторые из них были сделаны. Такому двигателю потребуется большой вентилятор для циркуляции достаточного количества воздуха, что снижает эффективность, поскольку двигатель должен потреблять больше энергии для собственного охлаждения. Непрактичность возникает из-за возникающих в результате проблем с размером, весом и терморегулированием, которых у открытых двигателей нет.
Контроль скорости
Плавное регулирование скорости универсального двигателя, работающего от переменного тока, легко достигается с помощью тиристор цепи, в то время как несколько ответвлений на катушке возбуждения обеспечивают (неточное) ступенчатое регулирование скорости. Семья блендеры которые рекламируют много скоростей, часто объединяют катушку возбуждения с несколькими ответвлениями и диод которые могут быть включены последовательно с двигателем (заставляя двигатель работать от полуволнового выпрямленного переменного тока).
Вариации
Шунтовая обмотка
Универсальные двигатели серийно заводятся. Шунтовая обмотка использовался экспериментально, в конце 19 века,[8] но было непрактично из-за проблем с коммутацией. Различные схемы встроенного сопротивления, индуктивности и перекрестной связи в противофазе пытались уменьшить это. Универсальные двигатели, в том числе с шунтирующей обмоткой, в то время считались двигателями переменного тока, поскольку они самозапускались.[4] При самозапуске асинхронные двигатели и стали доступны автоматические стартеры, которые заменили более крупные универсальные двигатели (более 1 л.с.) и шунтирующие двигатели.
Отталкивание-старт
В прошлом двигатели с отталкивающим пуском с фазным ротором обеспечивали высокий пусковой момент, но с дополнительной сложностью. Их роторы были похожи на роторы универсальных двигателей, но их щетки были связаны только друг с другом. Трансформатор индуцировал ток в ротор. Положение щетки относительно полюсов поля означало, что пусковой момент создавался отталкиванием ротора от полюсов поля. Центробежный механизм, когда он близок к рабочей скорости, соединил все стержни коллектора вместе, чтобы создать эквивалент ротора с короткозамкнутым ротором. Кроме того, когда скорость работы приближается к 80%, эти двигатели могут работать как асинхронные.[9]
Приложения
Бытовая техника
Нормальная работа частоты линий электропередачи, универсальные двигатели часто встречаются в диапазоне менее 1000 Вт. Их высокая скорость делает их полезными для таких устройств, как блендеры, пылесосы, и фены где желательны высокая скорость и малый вес. Они также обычно используются в портативных электроинструментах, таких как сверла, шлифовальные машины, круговой и лобзик, где характеристики мотора 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 от постоянного тока, даже несмотря на типичную домашнюю конфигурацию NEMA 5-15. Источник постоянного тока подходит для обычных ламп накаливания на рабочем месте и универсальных двигателей в дрелях и шлифовальных машинах. Многие пылесосы и триммер для сорняков двигатели превышают 10,000 Об / мин, в то время как многие Дремель и аналогичные миниатюрные шлифовальные машины превосходят 30,000 об / мин.
Универсальные моторы тоже поддаются электронный контроль скорости и, как таковые, были идеальным выбором для бытовые стиральные машины. Двигатель можно использовать для перемешивания барабана (как вперед, так и назад), переключая обмотку возбуждения относительно якоря. Двигатель также может работать до высоких скоростей, необходимых для цикла отжима. Настоящее время, частотно-регулируемый привод вместо них чаще используются моторы.
Рельсовая тяга
Универсальные двигатели также легли в основу традиционной железной дороги. тяговый двигатель в электрические железные дороги. В этом приложении использование переменного тока для питания двигателя, изначально предназначенного для работы на постоянном токе, приведет к снижению эффективности из-за вихревой ток нагрев их магнитных компонентов, особенно полюсных наконечников возбуждения двигателя, в которых для постоянного тока использовалось бы твердое (нематериальное) железо. Хотя эффекты нагрева уменьшаются за счет использования ламинированных полюсных наконечников, которые используются для сердечники трансформаторов и за счет использования ламината высокой проницаемость электротехническая сталь, одно из решений, доступных в начале 20-го века, заключалось в том, чтобы двигатели работали от источников переменного тока очень низкой частоты, с 25 и 162⁄3 Гц операция обычная.
Пусковой двигатель
Закуски двигателей внутреннего сгорания, как правило, являются универсальными двигателями, преимуществом которых является небольшой размер и высокий крутящий момент на низкой скорости. Некоторые пускатели имеют постоянные магниты, другие имеют 1 из 4 полюсов, намотанных шунтирующей катушкой, а не последовательно намотанной катушкой.
Рекомендации
- ^ Для двигателей постоянного тока в любом случае потребуются ламинированные роторы из-за коммутации.
- ^ «Электродвигатели - Dietz Electric». www.dietzelectric.com. В архиве из оригинала 2018-07-11. Получено 2018-07-10.
- ^ а б Герман, Стивен Л. Стандартный учебник электричества Делмара, 3-е издание. Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar Learning, 2004. стр.998.
- ^ а б c Герман, Стивен Л. Стандартный учебник электричества Делмера, 3-е издание. Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar Learning, 2004. стр.1001.
- ^ а б Кеннеди, Рэнкин (1915). Книга Электроустановок. Том II. Кэкстон. п. 152.
- ^ а б c d е Трансформеры и моторы, Джордж Патрик Шульц
- ^ Герман, Стивен Л. Стандартный учебник электричества Делмара, 3-е издание. Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar Learning, 2004. стр.850.
- ^ Герман, Стивен Л. Стандартный учебник электричества Делмара, 3-е издание. Клифтон-Парк, Нью-Йорк: Delmar Learning, 2004. стр. 905.
- ^ ГБ 18847, H F Joel, опубликовано в 1892 г.
- ^ «Асинхронный двигатель с отталкивающим пуском | Поиск и устранение неисправностей в системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха». www.hvacspecialists.info. В архиве из оригинала 2018-07-09. Получено 2018-07-10.