Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
Через посёлок с удивительным для проезжих названьем Ромодан бежала красная остроносая «Дуся». С самого рождения она только и делала, что бегала из столицы то в Полтаву, то в Хмельницкий, то в Новоград, то в Пятихатки, а в родной Днепропетровск не довелось — лишь иногда встречала в Пятихатках дядю, большой синий ДЭ1, рождённый с ней на одном заводе и живущий неподалёку от него, на окраине Днепра. Ни она за ним, ни он за ней поехать не могли — разные системы питания. И хоть в недрах «Дуси» текли три тысячи вольт, которыми кормился ДЭ1 — они были подобны крови в сосудах человека: для жизни необходимы, для дыхания непригодны.
Но в цифровых мозгах электровоза всех этих мыслей не было — они лишь делали то, на что способны, командовали кирпичами транзисторов, те загоняли в двигатели переменный ток, двигатели тянули вагоны «Столичного экспресса». Умей мозги думать — они бы гордились тем, что управляют асинхронными тяговыми двигателями, что только начали завоёвывать железные дороги страны. У чехословацкой громадины ЧС8, что прибывала сейчас навстречу «Дусе» на Ромодан, четыре маленьких асинхронника были лишь «на посылках» — тихо месили масло в трансформаторах. Но мозг электровоза пока не превзошёл мозг создателя и разумом не обладал.
В стоящем на станции старике ВЛ80К всё было ещё интереснее. Он только что привёл грузовой из Гребёнки, отцепился, переехал из горловины в горловину и наметил себе состав на обратный путь. Машинист сменил кабину и, увидев цепочку белых огней светофоров, грубо пихнул три кнопки. Три вентилятора охлаждения — один большой и два поменьше — разом вгрызлись в трансформатор, злобно зарычали, машина затряслась.
Ошалевшие от непривычных пятидесяти герц роторы пытались уцепиться хилыми полями за поля статоров. Через пару секунд им это удалось, поля роторов окрепли, трио вентиляторов затянуло две высоких ноты. Следивший за всем вольтметр расслабленно показал 26 киловольт.
Кочерга контроллера ушла назад, электровоз еле заметно встал на пуанты, где-то в середине кузовов пару раз хлопнуло. Неслышно за вентиляторами заревели переходные реакторы и ВЛ80К тронулся. Не в полную силу — показывал только левый килоамперметр, тянули две тележки из четырёх, машинисты зовут это «ездой на полсхемы» — но в одиночку больше и не надо было.
Совсем уж неслышно зажужжали по коллекторам тяговых двигателей щётки. Но про коллекторные двигатели уже сказано достаточно, про схему ВЛ80К будет рассказ позже, а эта статья о том, что такое асинхронный двигатель — АД, самый простой в устройстве и самый сложный в понимании — и почему на запуске он хил полем.
В прошлой статье рассказано, как устроена синхронная машина и как она вырабатывает 3-фазный ток, а по асинхронникам лишь показано фото ротора — их статор не отличается от статора синхронных, ротор же намного проще. Его обмотка собрана чаще всего из двух колец и пакета стержней и залита алюминием. Такая обмотка называется беличьей клеткой — за очевидное сходство:
Каждая пара стержней вместе с соединяющими их секторами колец образует кольцевой путь для тока — так называемый короткозамкнутый виток (для краткости — КЗ-виток). Он никуда не подключён, и если в нём наводится какой-то ток — то его мощность рассеивается в самом витке. Потому и короткозамкнутый — замкнутый на себя.
Вся беличья клетка — барабан из перехлёстывающихся друг с другом КЗ-витков. АД с КЗ-ротором кратко называется АДКЗ, ещё существуют АДФР — двигатели с фазным ротором, на котором уложена обычная обмотка и сделаны от неё выводы (чаще всего — через контактные кольца, как в синхронной машине), но об этом — в другой статье.
Сразу ясны преимущества такого двигателя — нет ни скользящего контакта, ни быстроизнашивающихся частей. Значит, нет ни опасности кругового огня, ни угольной пыли, ни регулярного мелкого ремонта коллектора и смены щёток. Такой двигатель меньше боится перегрузок, влажности и пыли — куда меньше вероятность, что он бабахнет после быстрого проезда лужи.
Почему же в России до сих пор крупной серией выпускаются «коллекторники» 2ЭС6 «Синара», ЭС5К «Ермак», пассажирские ЭП1М и ЭП2К, а более прогрессивные 2ЭС10, 2ЭС7, ЭП20 рождаются редко? Среди электропоездов и тепловозов та же картина, уверенную позицию «несинхронный» привод занял лишь на городском электротранспорте — тому пример троллейбусы «Мегаполис», метровагоны «Русич». На это есть неприятная причина — трудность управления АД.
В двигателе КЗ-витки находятся напротив полюсов статора, если в обмотке статора течёт переменный ток — то его поле будет наводить (индуцировать) ток в беличьей клетке. Для дальнейшего понимания вспомним то, что вспомнили в шестой статье при рассмотрении ИШаков — что такое индуктивность и как она себя ведёт.
Более подробно об индуктивности рассказано в статье «ТЭД-11»:
! ! ! Некоторые утверждения подрезают углы точных научных формулировок, но того требует ситуация — статья научно-популярная, предназначена для тех, кто не знает, как подступиться к «точной» науке, или затрудняется её понять ! ! !
Индуктивностью является, в общем-то, любой проводник. При нарастании тока проводник начинает создавать магнитное поле, оно расширяется («надувается»), электрическая энергия переходит в магнитную. «Надувающееся» поле, «задевая» проводник, из которого оно и «вышло», наводит в нём же электродвижущую силу, сопротивляющуюся току — сдерживает нарастание тока.
Это называется самоиндукцией, так как на ток в проводнике влияет его же собственное магнитное поле. При падении тока будет обратный процесс — поле, «сдуваясь», будет «поддувать» ток, возвращая ему энергию. Поэтому даже при резком отключении источника ток в цепи моментально не спадёт — он будет падать плавно за счёт индуктивности цепи.
Влияние магнитного поля на ток тем сильнее, чем это поле мощнее, а мощнее можно его сделать двумя способами. Первый — намотать побольше витков проводника, поля витков обмотки будут складываться. Второй — вставить в обмотку сердечник из магнитопроводящего материала (железа, никеля, кобальта и из сплавов), чтобы поле не рассеивалось чёрт-те где, а ходило строем.
Снова принцип «вместе мы сила!», ничего нового. Способность накапливать магнитную энергию (индуктивность) измеряется в генри (Гн), а обозначается буквой L. Индуктивность и L — синонимы. Генри и Гн — тоже синонимы, так, «индуктивность равна пяти миллигенри» на языке формул выглядит так: L = 5 мГн.
Хочу между делом напомнить, что единицы измерения, названные в честь учёных (ампер, фарад, генри, паскаль, ом, кельвин, вольт, ньютон...), в литературном виде пишутся с маленькой буквы, а в сокращённом — так, как указано в системе (А, Ф, Гн, Па...), и после условных обозначений НЕ ставится точка. То же — с приставками-множителями (кило-, мега-, милли- и другими) и их обозначениями (соотв. — к, М, м).
Нарушение даже регистра может привести к непониманию, прежде всего у тех, кто тему только осваивает. Пример: килоампер (кА), записанный всего лишь с ошибкой в регистре одной буквы как КА, превращается в непонятный кельвин-ампер. Привычный миллигенри, записанный вместо мГн как МГн, становится нереальным мегагенри. Аккуратнее!
В цепях переменного тока индуктивность ведёт к появлению интересного явления по имени «реактивное сопротивление», но о нём — в 11-й статье.
Так вот, способность короткозамкнутого витка накапливать после наведения в нём тока магнитную энергию — основа работы асинхронной машины. Представьте себе фазу полюса статора и находящийся напротив неё КЗ-виток. Через фазу потёк ток, вызвал магнитное поле, это поле навело ток в КЗ-витке, ток КЗ-витка (его называют I₂ — вторичный ток) «надул» собственное магнитное поле... Тем временем ток в первой фазе прекратился и потёк по второй фазе.
Наведённый в роторе ток начал падать, но сразу исчезнуть не может — его поддерживает созданное им магнитное поле. Попутно возникает притяжение между полем второй фазы и полем КЗ-витка (они как два магнита), а поскольку вторая фаза находится в стороне от витка — он тянется за ней. Так ротор страгивается с места.
Тем временем вторая фаза навела ток в другом (соседнем) витке и выключилась, включилась третья фаза, и к тому моменту, как иссякнет ток в первом витке — вовсю будут притягиваться второй виток и третья фаза. Процесс идёт волнообразно, непрерывно, ротор начинает разгон.
Однако до скорости вращения поля (поочерёдного протекания тока по фазам) ротор не разгонится. Если сделать это искусственно (раскрутить ротор до скорости вращения поля статора — до так называемой синхронной частоты), то получится так, что каждый из КЗ-витков находится напротив одного и того же полюса поля статора. Повернулся ротор на 1/6 оборота — а северный полюс тоже убежал по окружности статора на 1/6 оборота, излучается другой фазой.
В итоге каждый виток, несмотря на вращение, будет находиться в неизменяющемся поле, а ведь необходимое условие наведения тока — поле обязательно должно изменяться. Поэтому при вращении ротора АД с синхронной частотой двигатель работать не будет. Статор будет потреблять какой-то ток, называемый током холостого хода, но в роторе ток наводиться не будет и крутящий момент на роторе будет нулевым. Потому двигатель и зовётся асинхронным — чтобы он работал, ротор обязан крутиться асинхронно (несинхронно) с полем.
На схемах обычный 3-фазный АДКЗ обозначается очень просто — один круг в другом (ротор в статоре), от внешнего круга отходят фазы (линии) питания. И если кто заметил — фазы на моих схемах обозначены цветами по советскому стандарту, жёлтый — зелёный — красный. В мире полно других систем (например, красный — жёлтый — синий), а самый ужасный (коричневый — чёрный — серый) принят в Евросоюзе — уже при небольшом загрязнении или выцветании проводов цвета могут стать неразличимыми.
Обратите внимание на шильдики двигателей с фото выше — номинальные обороты несколько меньше 3000 об/мин. И на обоих указана частота — 50 Гц. Из предыдущей статьи можно вспомнить формулу частоты f = np/60. Подставляем частоту и число пар полюсов (1 пара) — получаем 50 = n/60, отсюда n = 3000. Это синхронные обороты 2-полюсного АД при питании 50 герцами. А рабочие обороты несколько ниже синхронных — 2890 для слабенького приборного двигателя и 2750 для более мощного промышленного.
Отставание ротора от поля статора называется скольжением, обозначается буквой S и измеряется в относительных единицах. Вычисляется как S = (n₁ – n)/n₁, где n₁ — синхронные обороты, просто n — рабочие. Для нашего приборного двигателя номинальное скольжение (3000 – 2890)/3000 = 0,0367 или 3,67 %, для промышленного — 0,0833 или 8,33 %. Чем номинальное S ниже — тем выше КПД двигателя, чем скольжение выше — тем легче пуск двигателя.
Как всегда — или то, или это: насколько выигрываем в крейсерском режиме — настолько проигрываем в пусковом. Или ставишь на заднее колесо велосипеда маленькую звёздочку и летаешь быстро, или ставишь большую, чтобы кататься по песку... А пуск тяжёл у любого двигателя, но у асинхронника — особенно. Можно ли асинхроннику переключать передачи как велосипеду или как коллекторнику (КД)? Можно.
Казалось бы, лежит на поверхности — раз обороты АД зависят от частоты тока, то надо менять частоту тока, как мы меняем напряжение или возбуждение КД. Но чаще всего двигатели питаются от сети, частота в ней 50 Гц в большинстве стран, 60 Гц в особенных странах, 400 Гц на воздушных и некоторых водных судах... Ставить отдельный генератор на каждый двигатель жирно будет.
Коммутировать ток, чтобы он был нужной частоты, тоже непросто — в КД этим занимается болезненный коллекторно-щёточный узел, ещё можно коммутировать бесконтактно с помощью электронных приборов, но с этим свои проблемы, очень хитрые... Поэтому всплывает другая буква из формулы f = np/60 — можно менять число пар полюсов. Обмотка статора в этом случае выполняется с так называемыми отпайками — промежуточными выводами, подключившись к которым, можно задействовать лишь часть обмотки.
Это применяется в старых лифтах — многим знакома пониженная скорость, с какой лифт резко начинает идти на последнем метре — или, например, в 2-скоростном приводе стеклоочистителей самолётов. Один контактор подаёт напряжение на всю обмотку (режим низкой скорости), другой — только на половину обмотки, в итоге число действующих полюсов убавляется, частота вращения поля возрастает, а с ней растут и обороты двигателя.
Это показано на видео «Мотор с "понижайкой"» на примере авиационных, станочных и лифтовых АД.
А смена направления движения? Очевидно, что направление, куда потянет ротор, зависит от порядка, в котором получают питание фазы. Значит, если его изменить — изменится и направление вращения ротора. Достаточно поменять местами две любые фазы. Если поменять «по кругу» все три (как при игре в напёрстки), то направление вращения не изменится.
Это используется везде, где только можно — и в тех же лифтах, и на грузоподъёмных кранах, и в стиральных машинах (в основном старых), и в электроприводе стабилизатора самолётов Ил-76, Ил-62, Ту-154, и в приводе предкрылков того же Ту-154... Перечислять можно бесконечно. Но статью пора заканчивать, а в следующей, которая выйдет нескоро, пойдёт речь о пуске и о более точном регулировании оборотов АД.
До встречи!
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»