Меню Закрыть

Мотор это: Недопустимое название — Викисловарь

Содержание

Мотор — что это такое

Двигатель — это сердце автомобиля!

Двигатель или мотор представляет собой устройство, которое преобразовывает энергию топлива в механическую.  

Так же как и нашему сердцу нужна кровь, мотору нужно топливо в виде топливо-воздушной смеси, которую обеспечивает топливная система.  

Что важнее кузов или мотор сказать сложно. Одно без другого — просто груда металла.

 

Мотор — важнейшим компонент автомобиля, который приводит его в движение. Механическая энергия, которую он производит, передается при помощи трансмиссии на колеса. Ее конструкция вкупе с конструкцией мотора называют силовой установкой.

 

Основные виды мотора:

  • электродвигатели,
  • внутреннего сгорания, или ДВС,
  • гибридные, комбинированные двигатели.

Безусловно, самым популярным и распространенным из них является ДВС, который работает благодаря топливу.

 

В свою очередь, среди ДВС выделяют следующие типы:

  • роторно-поршневой,
  • поршневой мотор,
  • газотурбинный

 

Большинство автомобилей оснащены поршневыми ДВС, работающие при помощи дизельного топлива, бензина или природного газа. Таким двигателям требуется система смазки и система охлаждения. Для каждого конкретного двигателя требуется определенное моторное масло с заданными параметрами, по научному — допусками.

В последнее время также наблюдается тенденция востребованности электродвигателей, т.к. он экономичен и экологичен.

Работает такой двигатель за счет электроэнергии, но есть у этих устройств и недостаток — маленькая емкость батареи.

Гибридные моторы — новейшая разработка. Она состоит из ДВС и электродвигателя. Оба компоненты связываются друг с другом генератором, а энергия передается параллельно или последовательно на колеса.

 

Назад

Что такое BLDC-мотор

BLDC двигатель, он же вентильный двигатель — это бесколлекторный синхронный двигатель постоянного тока на постоянных магнитах. Функцию коллектора в данном случае выполняет электронный контроллер, как если бы двигатель был коллекторный — контроллер переключает обмотки в зависимости от положения ротора с магнитами, определяемого датчиками Холла, установленными в мотор. Если двигатель застопорить, то контроллер будет подавать ток в те две фазы, которые должны его стронуть в нужную сторону. Контроллер не будет переключать фазы, пока ротор стоит. Дополнительно в отличие от механических коллекторов,это обеспечивает работу большого количества магнитных пар,чем может быть обеспечен значительно больший момент.

По сути, BLDC – это коллекторный двигатель с «электронным коллектором», но лишенный его недостатков в виде механического износа щеток и постоянного обслуживания щеточного узла для удаления нагара и загрязнений.

«Вентильный электродвигатель» — это наше, советское название. В зарубежной литературе они называются по другому. Общие аббревиатуры для обозначения синхронных бесколлектроных электродвигателей постоянного тока — это BLDC или PMSM:

  1. BLDC — Brushless DC electric motor (бесколлекторный электродвигатель постоянного тока).
  2. PMSM — Permanent Magnet Synchronous Motor (синхронный двигатель с постоянными магнитами).

Конструкция: 

В роторе двигателя размещаются постоянные магниты, создающие магнитное поле, которые чередуются + — + -… В зависимости от количества магнитов, двигатель имеет соответствующее количество полюсов. Роторы линейки Golden Motor 3-5-10-20кВт имеют 8 магнитов, т.е. 4 пары магнитов. 

Статор сделан из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для вращения необходимы 3 фазы. Обычно ВД трёхфазные, в Golden Motor в т.ч.

BLDC двигатель так же имеет более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с асинхронными двигателями. Он обладает лучшей удельной мощностью (мощность на килограмм массы), лучшим КПД, особенно на низких оборотах и на старте, более простое управление (асинхронным двигателям требуется чистый синус).

Каждому мотору нужен свой управляющий контроллер. 

Ниже представлено видео, объясняющая принцип действия:

 

Горшки и боги — Авторевю

Сначала появляются «бревна». Это стальные цилиндрические болванки, из которых вырежут коленчатые валы. Затем их уложат в постель алюминиевого остова, зажмут клещами шатунов — и четыре турбокомпрессора превратят все это в царь-двигатель V12. Я отправился в НАМИ, чтобы выяснить, кто и как разработал первый российский бензиновый 12-цилиндровый мотор, из чего он сделан и зачем его хотят «порезать» на маленькие двух- и трехцилиндровые двигатели.

В фойе Московского автомобильного и автомоторного института гос­тей встречает парадная шеренга самых экзотических оте­чественных моторов: аксиальные пяти- и семицилиндровые двигатели AR-5 и AR-7, траверсно-балансирный дизель ­ТБ-48.

.. За сто лет в НАМИ опробовали, кажется, все возможные конструкции ДВС, но легковых бензиновых моторов V12, в отличие от авиационных или дизельных, среди них еще не было. Таких двигателей ни в СССР, ни в России до сих пор не выпускали.

— Опыта создания дизелей V12 в России значительно больше, — объясняет руководитель Центра «Энергоустановки» НАМИ Алексей Теренченко. — К тому же в советское время не было необходимости и возможности для создания подобных бензиновых моторов, это танки требовали большой мощности, а среди автомобилей даже бронированные ЗИЛы обходились 315-сильными двигателями V8, тем более что именно по такой схеме выпускались моторы и на ГАЗе, и на ЗИЛе.

В обновленном литейном цехе НАМИ — новенькие литейные машины с технологией «антигравитационного» литья, когда расплавленный металл подается в форму снизу под небольшим давлением

Почему теперь возникла потребность в двенадцатицилиндровом двигателе, ни для кого уже не секрет: это мотор для флагманского лимузина проекта Кортеж, и он должен быть самым мощным, самым прогрессивным и самым прес­тижным. Паспортные данные впечатляют: рабочий объем — 6,6 л, непосредственный впрыск, система изменения фаз газораспределения, четыре турбокомпрессора с давлением 2,3 бара, максимальная мощность — 830 л.с. (при 5500 об/мин), а максимальный крутящий момент — 1320 Нм в диапазоне от 2200 до 4500 ­об/­мин.­

Но официально проект называется ЕМП (Единая модульная платформа), и кроме «автомобиля высшего класса», как в НАМИ называют флагманский лимузин, программа включает еще и бизнес-седаны, кроссоверы и минивэны, поэтому с самого начала Кортеж преду­с­матривал также моторы V8 и рядные «четверки».

Интересно, что в первоначальных набросках проекта Кортеж для лимузинов рассматривалась возможность использовать двигатели на основе дизеля RED A03 V12, который в Германии разработала фирма гоночного моториста и нашего бывшего соотечественника Владимира Райхлина. Однако этот изначально авиационный двигатель с развалом блока 72º осложнял компоновку моторного отсека. От идеи такого донорства отказались, и примерно два года назад мотористы ­НАМИ начали работу почти с чистого листа.

В 2013 году был объявлен конкурс эскизных проектов на двигатель V12, в котором участ­вовали компании FEV, AVL, Ricardo и Porsche Engineering. Но в итоге фирме Porsche Engineering отдали только проект разработки мотора V8 — самого массового в линейке. А остальные двигатели в НАМИ взялись проектировать самостоятельно.

В условиях опытного производства изготовление одного коленвала занимает две недели

Конструктор Игорь Анохин работает в НАМИ с 1987 года, он участвовал в создании многих моторов, включая как раз те самые аксиальные ­AR-5 и AR-7, а теперь руководит разработкой двигателя V12. C базовой «восьмеркой» флагманский мотор роднит общий рабочий процесс — то есть цилиндро-поршневая группа, газораспределительный механизм, форсунки и свечи. Такой модуль будет использован для всех двигателей проекта ЕМП.

В этом моторы НАМИ похожи на большинство современных модульных двигателей с унифицированной геометрией цилиндра. Но если BMW, VW AG, Daimler, Volvo и Jaguar Land Rover приняли за основу цилиндр объемом 500 см³, то в НАМИ выбрали чуть более крупный модуль: с диаметром цилиндра 88 мм, ходом поршня 90 мм, рабочим объемом 547,4 см³ и степенью сжатия 9,5:1.

Литраж — «с хвостиком»: 6,6 л на двенадцать цилиндров, 4,4 л — на восемь, 2,2 л — на четыре.

Базовая «восьмерка» получилась классической: с 90-градусным углом развала блока и двумя турбокомпрессорами на внешних его сторонах. Однако это полностью алюминиевый двигатель с сухими чугунными тонкостенными гильзами, в котором непосредственный впрыск топлива, управляемые фазы газораспределения и раздельная по цилиндрам система охлаждения. В Германии на сегодня собрано 15 таких предсерийных моторов, в России — еще пять, и все они уже проходят испытания.

Турбокомпрессоры подмосковной компании Турботехника — это первый российский опыт создания системы наддува для бензиновых моторов

Благодаря тому, что в базовом двигателе удалось добиться высокого среднего эффективного давления (25 бар), мотор 4.4 по удельной мощности превосходит, например, «восьмерку» Porsche 4.8 на кроссовере Cayenne Turbo S: 136 л.с./л против 119. А по максимальной отдаче агрегат сопоставим с двигателями V12 на автомобилях BMW и Mercedes: 600 л. с. и 880 Нм крутящего момента.

При этом на всех машинах семейства ЕМП моторы будут работать с гибридной трансмиссией на основе электромашины и девятиступенчатого «автомата» R932 московской компании КАТЕ, в создании которого принимал участие бывший гендиректор НАМИ Максим Нагайцев. То есть отдача комбинированной силовой установки cтанет еще выше.

Двенадцатицилиндровые лимузины тоже будут гиб­ридными. На вопрос, зачем 830-сильному монстру еще и электромотор, и конструктор Анохин, и директор Теренченко отвечают долгой паузой: это было непременным условием техзадания, которое согласовывали на самом верху. И электромеханическая трансмиссия, судя по всему, нужна Кортежу не только для экономичности и лучшей динамики, но также в роли резервной силовой установки.

Для опытных моторов кованые поршни сделаны на заказ, но для серийных двигателей их производство должно быть локализовано в России

Традиционный на первый взгляд мотор V12 соткан из технических решений, продиктованных теми, кто призван следить за покоем и безопасностью пассажиров-небожителей. Рабочий процесс тут от «восьмерки», блок цилиндров скомпонован под традиционным для такой архитектуры углом 60°, но турбокомпрессоров четыре, а приводные ремни и некоторые навесные агрегаты из конструкции исключены. Роль стартера и генератора выполняет электромашина гибридной трансмиссии, механизм газораспределения и насос гидроусилителя руля приводятся цепью, вакуумный насос — от распредвала.

Правда, в том, что касается надежности, больше всего вопросов вызывает как раз гибридная трансмиссия, ведь «автомат» КАТЕ лишен гидротрансформатора, плавность старта и переключений он обеспечивает за счет пробуксовки управляющих фрикционов. Однако такая трансмиссия имеет предел по входящему крутящему моменту: 1000 Нм. А царь-двигатель, напомню, должен развивать 1320 Нм.

Однако пока ни один мотор V12 еще не вышел на стендовые испытания с полной нагрузкой. Самые ранние экземпляры, преодолев холодные и горячие пуски, дошли только до механических испытаний на стенде и в составе автомобиля, в рамках которых двигатель работает максимум на две трети своих возможностей.

При этом все моторы V12 сделаны в НАМИ — силами значительно модернизированного опытного производства, которое позволяет изготавливать прототипные партии силовых агрегатов любой сложности. За последний год в цехах появились новые пятикоординатные токарные и фрезеровочные станки, аппараты быстрого прототипирования (3D-принтеры) и даже литейные комплексы, где можно изготавливать пилотные образцы алюминиевых головок и блоков цилиндров, а также деталей трансмиссии и подвески. Причем не обязательно для «кортежных» автомобилей.

На мониторе у конструктора Юрия Натепрова — трехмерная модель обычной рядной «четверки» 2.2: один турбокомпрессор, непосредственный впрыск, 245 л.с. и 380 Нм крутящего момента. Но это топ-версия, а на основе того же блока готовится и «народный» вариант — атмосферник с распределенным впрыском. Первую «четверку» должны собрать уже в этом году.

А в середине сентября Алексей Теренченко на конференции автомобильных инженеров в Тольятти объявил, что, помимо этого, НАМИ на основе унифицированного модуля способен разработать еще и компактные рядные агрегаты с тремя, двумя и даже одним цилиндром. Применять такие моторчики можно не только на автомобилях, но и на катерах, мотоциклах и даже на садовой и строительной технике. Турботройка объемом 1,65 л будет развивать 181 л.с., атмо­сферная «двойка» 1.1 — 76 л.с. Ну а самым скромным в линейке должен стать одноцилиндровый 550-кубовый мотор на 41 л.с.

Кроме того, в инженерном заделе НАМИ есть семейство рядных атмосферных и наддувных дизелей тех же конфигураций, от одноцилиндрового мощностью 15 л.с. до четырехцилиндрового 2.2 на 184 л.с. Правда, все двигатели меньше бензиновой «четверки» существуют пока только в виде виртуальных проектов, подготовку которых поручили студентам университета имени Баумана. Так что царь-мотоцикл и ­царь-бетономешалку придется еще немного подождать. 

Приложения: Последние новости России и мира – Коммерсантъ Review (117758)

Планируется ли производство автомобилей Subaru в России, кого марка считает своими конкурентами и каковы ближайшие планы компании, корреспонденту Review Анне Килимник рассказал Константин Круглянский, руководитель департамента маркетинга и планирования продукта ООО «Субару Мотор».

REVIEW: В 2016 году в России и Белоруссии компания реализовала 5728 автомобилей Subaru, перевыполнив план продаж на 4,1%. На 2017 год план продаж составлял 5800 машин. Подводя промежуточные итоги, как вы думаете, удастся ли компании его выполнить? Или, возможно, даже перевыполнить — на фоне растущего рынка?

КОНСТАНТИН КРУГЛЯНСКИЙ: Мы скорректировали наш план в середине года до 6 тыс. автомобилей и думаю, что выполним поставленные цели. Что касается растущего рынка, то, надо сказать, не все так радужно для брендов верхнего ценового сегмента. Рост наблюдается исключительно в массовом секторе.

R: Самой популярной моделью бренда прошлого года стал Forester с внушительными цифрами: 70,3% от общих продаж. Сохраняется ли такая же тенденция в текущем году или появление компактного кроссовера XV нового поколения корректирует эти цифры?

К. К.: К сожалению, поставки Subaru XV прошлого поколения были ограничены в 2017 году, что и привело к высокой доле Forester. С выходом нового XV доля Forester упадет до 50-55%, а Subaru XV займет 20-25% в наших продажах.

R: Для многих в России компактный автомобиль — это женский автомобиль. При этом марка Subaru традиционно всегда ассоциировалась с ралли и потому считалась безоговорочно мужской. Является ли для компании новый XV тем автомобилем, который расширит покупательскую аудиторию?

К. К.: Subaru XV для нас знаковая модель, построенная на новой платформе SGP. Также это первая модель в России с системой помощи водителю EyeSight. Автомобиль предлагает новый уровень активной безопасности, управляемости и комфорта — мы уверены, что привлечем новую аудиторию, как мужскую, так и женскую.

R: Сегодняшний тренд — появление все большего количества ассистентов помощи водителю. Считаете ли вы упомянутую вами систему EyeSight настолько прогрессивной, что она должна появиться во всех автомобилях, в том числе у ваших конкурентов?

К. К.: На сегодняшний день у EyeSight нет аналогов на рынке, ведь она работает, основываясь на показаниях стереокамеры. По сути, это два дополнительных глаза в салоне автомобиля, которые никогда не отвлекаются от дороги. Представьте себе пассажира, у которого есть дополнительные педали и он пристально наблюдает за дорожной обстановкой — если вы не услышите его крики о приближающейся опасности, он будет предотвращать опасную ситуацию за вас, этакий инструктор на переднем сиденье. Мы не исключаем появления подобных систем у конкурентов, при этом стоит отметить, что это уже третье поколение системы и догнать нас будет сложно.

R: Усовершенствования систем помощи водителю в итоге могут привезти к внедрению в автомобилях полноценного автопилота. Subaru всегда считался драйверским автомобилем. Как вы относитесь к идее автопилотирования?

К. К.: Система EyeSight не является аналогом автопилота: главная задача системы — вмешиваться в управление автомобилем лишь при приближении опасности и предотвращать ее. Система никак не мешает наслаждаться управляемостью Subaru, при этом, несомненно, добавляет водителю уверенности и безопасности за рулем. К слову, при внедрении системы в Японии количество аварий с участием автомобилей Subaru снизилось на 61%. Если же говорить об идее автопилотирования, то я отношусь к этому отрицательно, как человек, рожденный в эпоху ДВС. При этом я не сомневаюсь, что в будущем управление автомобиля человеком станет экзотикой.

R: Одним из достоинств Subaru называют ее лаконичность: в машине никогда не было ничего лишнего, что мешало бы ее управлению. Но сегодня Subaru, и новый XV тому подтверждение, обладает всеми необходимыми атрибутами комфорта, включая продвинутую мультимедийную систему. Можно ли сказать, что Subaru — это по-прежнему лаконичный автомобиль?

К. К.: Однозначно функциональность и лаконичность Subaru становятся еще лучше с каждым модельным годом. Это философия компании — улучшать до совершенства простые функции автомобиля, которыми водители и пассажиры пользуются чаще всего, и добавлять современные функции, опять-таки которыми наши клиенты будут пользоваться, а не забудут о них после покупки. В этом суть Subaru, именно поэтому у наших автомобилей один из самых высоких средних сроков использования в мире. Они удобны на уровне ДНК.

R: Считаете ли вы, что полный привод и горизонтально-оппозитный двигатель — это по-прежнему главные козыри марки?

К. К.: Оппозитный мотор — это сердце Subaru, а симметричный полный привод — его позвоночник. В большинстве источников вы прочтете, что оппозитный двигатель лишь снижает центр тяжести, но это всего лишь одно из многих преимуществ. Данный тип мотора легче, лишен вибраций, компактнее, надежнее и позволяет автомобилю сохранять превосходный уровень безопасности, поскольку находится намного ниже в моторном отсеке, чем другие типы моторов, и легко уходит под днище при фронтальном столкновении. Более того, назовите мне кроссовер, который обладает столь внушительным клиренсом? Знаю — сложно. Симметричный полный привод придает автомобилю непревзойденный баланс на дороге, обладает приводными валами одинаковой длины, в отличие от многих конкурентов, а крутящий момент всегда передается на все колеса. Дополненные новым цепным вариатором Lineartronic, данные технические решения серьезно отличают нас от обычных кроссоверов. Кроме того, Subaru с постоянным полным приводом теперь экономичнее многих.

R: У компании сегодня новый слоган: «Создан инженерами». Что вкладывается в эту фразу? Можно ли утверждать, что другие машины других марок созданы не инженерами?

К. К.: Мы вкладываем в данный слоган силу наших инженеров: они главные в создании наших автомобилей. Если кто-то другой готов отказываться от ДНК марки, меняя местами привод на колеса, удешевляя инженерные решения в угоду доли рынка и бизнеса, штампуя фактически одинаковые кузова, мы продолжаем совершенствовать нашу философию, и компания никогда от нее не откажется. Наши инженеры прежде всего думают об удобстве использования автомобиля, а уже потом о том, как он будет выглядеть в шоуруме. Именно поэтому вы найдете в наших автомобилях великолепную обзорность, превосходные управляемость и подвеску, комфортную посадку, простоту использования любых функций и сколько угодно драйва. Безусловно, все автомобили созданы инженерами, но нашим слоганом мы стараемся обратить внимание клиента на нашу философию и технологии.

R: В эпоху глобализации считаете ли важным, что Subaru собирается в Японии? Нет ли у компании планов строительства заводов в других странах, например в России?

К. К.: Да, мы считаем это важным преимуществом — японское качество признано во всем мире. На сегодняшний день у нас нет планов по открытию производства в России.

R: Объявлены рейтинги «Авто года». Автомобили Subaru в трех из четырех рейтингов присутствуют в первой пятерке, а в номинации «Надежные авто» Forester занимает первое место. Ожидаем ли для вас такой результат?

К. К.: Сложный вопрос. Мы уверены, что наш бренд — один из самых надежных, и мы получаем много благодарностей от наших клиентов. При этом объем продаж Subaru на российском рынке далек от показателей массовых брендов. В целом итоги рейтингов — это скорее сюрприз. Хотелось бы выразить благодарность всем проголосовавшим за Subaru Forester. Мы, конечно же, продолжим делать наши автомобили надежнее и улучшать качество сервисных услуг. Данное голосование нас обязывает поддерживать высокий уровень в данном направлении.

R: А какие бренды вы считаете главными конкурентами Subaru на российском рынке?

К. К.: На сегодняшний день практически все производители имеют в своем арсенале полный привод. При этом мы разительно отличаемся от них технологиями, ведь мы занимаемся полным приводом более 50 лет и, по сути, создали первый в мире кроссовер — Subaru Leone. Мы находимся между массовым и премиальным сегментами и считаем свои автомобили хорошей альтернативой для тех, кто хочет больше, чем предлагает масс-маркет, а также для тех, кому не нравится завышенная цена премиума. Вот такой хитрый ответ.

R: В прошедшем автомобильном квесте «Авто года» призом был новый Subaru XV. На сегодняшний день это самый дорогой приз, который можно было выиграть в этом конкурсе. Следили ли вы за тем, как протекала борьба за автомобиль?

К.  К.: Да, конечно. Хотелось бы еще раз поздравить Романа и его семью с победой. А также выразить благодарность проекту «Автомобиль года» за прекрасную работу и дружный коллектив.

R: Каковы планы компании на ближайшее время?

К. К.: В мае 2018 года мы вернем на российский рынок модель Legacy, продолжим популяризировать систему EyeSight, а ближе к концу года ожидайте сюрприз — пока не могу сказать какой: сохраним интригу!

Бесколлекторные двигатели постоянного тока. Что это такое? — Avislab

Этой статьёй я начинаю цикл публикаций о бесколлекторных двигателях постоянного тока. Доступным языком  опишу общие сведения, устройство, алгоритмы управления бесколлекторным двигателем. Будут рассмотрены разные типы двигателей, приведены примеры подбора параметров регуляторов. Опишу устройство и алгоритм работы регулятора,  методику выбора силовых ключей и основных параметров регулятора. Логическим завершением публикаций будет схема регулятора.

Бесколлекторные двигатели получили широкое распространение благодаря развитию электроники и, в том числе, благодаря появлению недорогих силовых транзисторных ключей. Также немаловажную роль сыграло появление мощных неодимовых магнитов.

Однако не стоит считать бесколлекторный двигатель новинкой. Идея бесколлекторного двигателя появилась на заре электричества. Но, в силу неготовности технологий, ждала своего времени до 1962 года, когда появился первый коммерческий бесколлекторный двигатель постоянного тока. Т.е. уже более полувека существуют различные серийные реализации этого типа электропривода!

Немного терминологии

Бесколлекторные двигатели постоянного тока называют так же вентильными, в зарубежной литературе BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) или PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Обращаю Ваше внимание на то, что в коллекторном двигателе наоборот, обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор — магниты, статор — обмотки.

Для управления двигателем применяется электронный регулятор. В зарубежной литературе Speed Controller или ESC (Electronic speed control).

Что такое бесколлекторный двигатель?

Обычно люди, сталкиваясь с чем-то новым, ищут аналогии. Иногда приходится слышать фразы «ну это как синхронник», или еще хуже «он похож на шаговик». Поскольку большинство бесколлекторных двигателей трехфазные, это еще больше путает, что приводит к неправильному мнению о том, что регулятор «кормит» двигатель переменным 3-x фазным током. Все вышесказанное соответствует действительности только отчасти. Дело в том, что синхронными можно назвать все двигатели кроме асинхронных. Все двигатели постоянного тока являются синхронными с самосинхронизацией, но их принцип действия отличается от синхронных двигателей переменного тока, у которых самосинхронизация отсутствует. Как шаговый бесколлекторный двигатель тоже, наверное, сможет работать. Но тут такое дело: кирпич он тоже может летать… правда, недалеко, ибо для этого не предназначен. В качестве шагового двигателя больше подойдет вентильный реактивный двигатель.

Попробуем разобраться, что собой представляет бесколлекторный двигатель постоянного тока (Brushles Direct Current Motor). В самой этой фразе уже кроется ответ — это двигатель постоянного тока без коллектора. Функции коллектора выполняет электроника.

Преимущества и недостатки

Из конструкции двигателя удаляется довольно сложный, требующий обслуживания тяжелый и искрящий узел — коллектор. Конструкция двигателя существенно упрощается. Двигатель получается легче и компактнее. Значительно уменьшаются потери на коммутацию, поскольку контакты коллектора и щетки заменяются электронными ключами. В итоге получаем электродвигатель с наилучшими показателями КПД и показателем мощности на килограмм собственного веса, с наиболее широким диапазоном изменения скорости вращения. На практике бесколлекторные двигатели греются меньше, чем их коллекторные братья. Переносят большую нагрузку по моменту. Применение мощных неодимовых магнитов сделали бесколлекторные двигатели еще более компактными. Конструкция бесколлекторного двигателя позволяет эксплуатировать его в воде и агресивных средах (разумеется, только двигатель, регулятор мочить будет очень дорого). Бесколлекторные двигатели практически не создают радиопомех.

Единственным недостатком считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (регулятор или ESC). Однако, если вы хотите управлять оборотами двигателя, без электроники никак не обойтись. Если вам не надо управлять оборотами бесколлекторного двигателя, без электронного блока управления все равно не обойтись. Бесколлекторный двигатель без электроники — просто железка. Нет возможности подать на него напряжение и добиться нормального вращения как у других двигателей.

Что происходит в регуляторе бесколлекторного двигателя?

Для того чтобы понять, что происходит в электронике регулятора, управляющего бесколлекторным двигателем, вернемся немного назад и сначала разберемся как работает коллекторный двигатель. Из школьного курса физики помним, как магнитное поле действует на рамку с током. Рамка с током вращается в магнитном поле. При этом она не вращается постоянно, а поворачивается до определенного положения. Для того чтобы происходило непрерывное вращение, нужно переключать направление тока в рамке в зависимости от положения рамки. В нашем случае рамка с током — это обмотка двигателя, а переключением занимается коллектор — устройство со щетками и контактами. Устройство простейшего двигателя смотри на рисунке.

То же самое делает и электроника, управляющая бесколлекторным двигателем — в нужные моменты подключает постоянное напряжение на нужные обмотки статора.

Датчики положения, двигатели без датчиков

Из вышесказанного важно уяснить, что подавать напряжение на обмотки двигателя нужно в зависимости от положения ротора. Поэтому электроника должна уметь определять положение ротора двигателя. Для этого применяются датчики положения. Они могут быть различного типа, оптические, магнитные и т. д. В настоящее время очень распространены дискретные датчики на основе эффекта Холла (например SS41). В трехфазном бесколлекторном двигателе используется 3 датчика. Благодаря таким датчикам электронный блок управления всегда знает, в каком положении находится ротор и на какие обмотки подавать напряжение в каждый момент времени. Позже будет рассмотрен алгоритм управления трехфазным бесколлекторным двигателем.

Существуют бесколлекторные двигатели, которые не имеют датчиков. В таких двигателях положение ротора определяется путем измерения напряжения на незадействованной в данный момент времени обмотке. Эти методы также будут рассмотрены позднее. Следует обратить внимание на существенный момент: этот способ актуален только при вращении двигателя. Когда двигатель не вращается или вращается очень медленно, такой метод не работает.

В каких случаях применяют бесколлекорные двигатели с датчиками, а в каких — без датчиков? В чем их отличие?

Двигатели с датчиками положения более предпочтительны с технической точки зрения. Алгоритм управления такими двигателями значительно проще. Однако есть и свои минусы: требуется обеспечить питание датчиков и прокладку проводов от датчиков в двигателе к управляющей электронике; в случае выхода со строя одного из датчиков, двигатель прекращает работу, а замена датчиков, как правило, требует разборки двигателя.

В тех случаях, когда конструктивно невозможно разместить датчики в корпусе двигателя, используют двигатели без датчиков. Конструктивно такие двигатели практически не отличаются от двигателей с датчиками. А вот электронный блок должен уметь управлять двигателем без датчиков. При этом блок управления должен соответствовать характеристикам конкретной модели двигателя.

Если двигатель должен стартовать с существенной нагрузкой на валу двигателя (электротранспорт, подъёмные механизмы и т.п.) — применяют двигатели с датчиками. Если двигатель стартует без нагрузки на валу (вентиляция, воздушный винт, применяется центробежная муфта сцепления и т.п.), можно применять двигатели без датчиков. Запомните: двигатель без датчиков положения должен стартовать без нагрузки на валу. Если это условие не соблюдается, следует использовать двигатель с датчиками. Кроме того, в момент старта двигателя без датчиков возможны вращательные колебания оси двигателя в разные стороны. Если это критично для Вашей системы, применяйте двигатель с датчиками.

Три фазы

Трехфазные бесколлекторные двигатели приобрели наибольшее распространение. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение магнитного поля, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективность/сложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Далее будет рассматриваться только трехфазная схема, как наиболее распространенная.  Фактически фазы — это обмотки двигателя. Поэтому если сказать «трехобмоточный», думаю, это тоже будет правильно. Три обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Трехфазный бесколлекторный двигатель имеет три провода — выводы обмоток, см. рисунок.

Двигатели с датчиками имеют дополнительных 5 проводов (2-питание датчиков положения, и 3 сигналы от датчиков).

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться «шагами» на 60 градусов при каждом переключении. Но не будем забегать наперед. В следующей статье будут рассмотрены устройство бесколлекторного двигателя, варианты расположения магнитов, обмоток, датчиков и т.д., а позже будут рассмотрены алгоритмы управления бесколлекторными двигателями.

Бесколлекторные моторы «на пальцах» Что такое бесколлекторные моторы и как управлять бесколлекторными моторами:

Статьи по бесколлекторным моторам:

Как распознать «убитый» мотор? | Об автомобилях | Авто

Даже самый красивый автомобиль на вторичном рынке, небитый и некрашеный, может иметь серьезные проблемы с силовым агрегатом. Некоторые современные двигатели с жаропрочным напылением в камерах сгорания выходят из строя при нарушениях эксплуатации, которые ранее считались несерьезными. То же самое касается и навесного оборудования в моторном отсеке. Продавцы дорогих автомобилей знают об этом и стараются скрыть недостатки. Есть ли способы вовремя обнаружить серьезные неисправности силового агрегата, чтобы впоследствии не пришлось делать дорогостоящий ремонт?

Звон в ушах

Первое, что необходимо сделать, — это прислушаться к работе мотора. Если раздаются позвякивания и иные посторонние шумы, то возможны несколько неисправностей.

Чаще всего виноваты подшипники ременных приводов. Это значит, что в любой момент привод ГРМ и помпы может заклинить, и двигатель получит серьезные повреждения.

Шумы могут появляться и при значительной выработке цилиндра в верхней части или при большом количестве сажевых отложений. Другими словами, внутри камеры сгорания появляется препятствие, которое при перемене направления хода поршня в верхней точке заставляет его головку смещаться в боковом направлении, из-за чего шарнир перекашивается и юбка бьется о стенку.

Также удары по стенкам могут появиться из-за искривления шатуна вследствие пережитого когда-то гидроудара. В этом случае поршень отклоняется от оси симметрии механизма и задевает юбкой стенку гильзы.

На первых порах опытные мотористы могут определить даже небольшой люфт с помощью медицинского стетоскопа, который прикладывают к стенкам блока цилиндров.

Дополнительным признаком искривления детали является повышенная вибрация при работе двигателя, из-за чего силовой агрегат ощутимо трясет.

Сизый дым и задиры

Сигналом о серьезной поломке двигателя является сизый или черный дым, который появляется из выхлопной трубы. Наиболее распространенный случай — высокий износ деталей поршневой группы. Масло пробивается через кольца и попадает в камеры сгорания, после чего прогорает. Выхлоп окрашивается в сизый цвет. Диагностировать выброс масла очень просто. Если поднести белый лист бумаги к выхлопной трубе, то, помимо сажи, на него начнут попадать капельки несгоревшего масла. Такой мотор может съедать свыше 1 литра на 500 км пути.

Сизый дым нередко возникает из-за появившихся задиров на стенках камер сгорания. Неправильная эксплуатация автомобиля, поездки на некачественном бензине с низким октановым числом и неуместное увлечение ездой на повышенных оборотах приводят к возникновению детонаций. Поршни бьют юбками по жаропрочному напылению и сбивают целые куски покрытия. Задиры в современном моторе — это фактически приговор. Многие двигатели сейчас неремонтопригодны и требуют полной замены блока цилиндров.

Мотор «троит»

Густой черный цвет выхлопа может получаться при неисправности топливной системы и свидетельствует о неполном сгорании топлива. К примеру, вышли из строя датчики работы впрыска, катушки зажигания или форсунки. Топливо не успевает прогорать и вылетает в трубу в виде сажи. В этом случае один из цилиндров начинает работать с перебоями, из-за чего он разбалансируется и возникает тряска. В народе говорят, что мотор «троит», то есть работает на трех цилиндрах. Как правило, в этом случае электроника выдает предупреждение в виде сигнальной лампы Check engine.

Иногда из выхлопной трубы идет белый дым, который похож на пар. Он свидетельствует о том, что в камеры сгорания попадает антифриз из прорвавшейся прокладки головки цилиндров. В этом случае тоже потребуется дорогостоящий ремонт.

Разная компрессия в цилиндрах

Перед покупкой необходимо измерять компрессию в цилиндрах. Компрессия — это простонародное выражение, правильный термин — давление конца сжатия. Оно создается в цилиндре движением поршня при выключенном зажигании и без подачи топлива.

Для измерения давления в цилиндрах мастера в технических сервисах обычно используют специальный прибор — компрессометр, — который вкручивается вместо свечи зажигания.

Компрессия зависит от состояния колец поршней и их степени износа. Тарелки клапанов постепенно подгорают, неплотно садятся в седло и пропускают газы. «Подвисший» клапан либо прогоревший поршень не позволяет создать нужное давление в цилиндре.

При их повреждении газы проникают в картер, двигатель не может развить проектную мощность, и его характеристики искажаются. Если в одном цилиндре компрессия ниже, чем в других, на 25%, то необходим ремонт двигателя с полной его разборкой.

Нормальными значениями компрессии для распространенных 1,6-литровых атмосферных моторов считается 11-12 бар. В старых карбюраторных двигателях ВАЗ минимальный порог составляет 10 бар.

Как это работает: Новые моторы и ERS

Нынешний сезон — последний для восьмицилиндровых моторов в Формуле 1. Со следующего года чемпионат переходит на V-образные «шестерки», в дополнение к которым команды получат новую, более мощную систему рекуперации энергии — как кинетической, так и тепловой. Об этих новшествах на страницах F1 Racing рассуждал руководитель технического департамента Williams Пэт Симондс…

В следующем году Формула 1 переходит с атмосферных восьмицилиндровых моторов с системой рекуперации кинетической энергии KERS, на шестицилиндровые турбомоторы с системой рекуперации ERS, которая не только аккумулирует энергию на торможении (посредством модуля ERS-K), но и запасает тепловую энергию выхлопа (через модуль ERS-H). Чтобы понять принципы работы данной системы, необходимо вспомнить некоторые базовые понятия.

Один килограмм топлива содержит 43 мегаджоуля химической энергии, которая выделяется при сжигании топливо-воздушной смеси. Расход топлива в современных моторах Формулы 1 не ограничен: при нажатии педали газа в пол и максимальной скорости машина сжигает 45 граммов топлива в секунду. Каждую секунду двигатель выделяет 1970 килоджоулей энергии, более 1900 киловатт мощности или более 2500 лошадиных сил.

На самом деле, моторы 2013 года не обладают такой мощностью – они выдают около 750 лошадиных сил или 550 киловатт. Остальная мощность просто теряется, поскольку не существует на 100% эффективных силовых агрегатов. Современный двигатель Формулы 1 при максимальной скорости имеет эффективность на уровне 28%.

Новые моторы Формулы 1 должны расходовать не более 100 килограммов топлива в час или максимум 28 граммов в секунду. Если бы они имели такую же эффективность, как нынешние V8, они выдавали бы всего 450 л. с., что даже при более совершенной системе рекуперации энергии привело бы к потере скорости. Выходом из ситуации является повышение общей эффективности мотора и восстановление большего количества энергии выхлопа. В таком случае КПД мотора должен достичь 35%, что позволит добиться мощности в 550 л.с. – без учета эффекта ERS.

Система ERS сильно отличается от существующих вариантов систем рекуперации энергии. В настоящее время машины Формулы 1 запасают лишь энергию, выделяемую при торможении, и гонщики могут использовать этот дополнительный заряд мощности в 80 л.с. лишь в течение 6,7 секунды по ходу круга. Это равно расходу 400 килоджоулей энергии. В 2014 году батареи будут в 10 раз мощнее, что обеспечит прибавку 160 л.с. в течение 33 секунд на каждом круге. За аккумуляцию энергии и ее выход будет отвечать специальный генератор MGU-K, в названии которого буква «К» означает «кинетическая энергия».

Также на машинах появится еще один генератор – MGU-H, в названии которого буква «H» означает «heat» – тепло. Этот генератор подключается напрямую к валу турбины и тоже производит электрическую энергию, однако он может направлять ее не к батареям, а сразу к силовой установке, и на этот процесс не распространяются какие-либо ограничения.

Приблизятся ли моторы Формулы 1 к двигателям дорожных машин? В целом, да. Мерой эффективности мотора выступает количество топлива, расходуемое на каждый киловатт мощности в час. Хороший дорожный двигатель имеет показатель в 245 гр./кВт-час, но при максимальной скорости и высоких оборотах значение сильно ухудшается. Современный мотор Формулы 1 имеет показатель в 280 гр./кВт-час, что само по себе лучше, чем у большинства дорожных моделей, однако в 2014 году новые двигатели будут расходовать всего 240 граммов топлива на кВт-час при максимальной мощности, что сделает их безоговорочными лидерами по эффективности. Принципы, используемые для достижения столь впечатляющих значений, неизбежно найдут применение в дорожных машинах, если, конечно, они будут опираться на существующие, а не экзотические технологии.

Многие спрашивают, почему все эти изменения сопряжены с таким количеством сложностей. Дело в том, что архитектура мотора будет совершенно иной, что потребует дополнительных инженерных изысканий, но я не стал бы излишне драматизировать ситуацию. Основная сложность заключается в необходимости обеспечения более эффективного охлаждения. У новых моторов менее жесткие требования к охлаждению масла и воды, чем у нынешних, но в случае с новой ERS ситуация обратная.

Кроме того, необходимо охладить воздух, идущий от турбины, до того, как он попадет в цилиндры. С атмосферными двигателями такого вопроса не было, поэтому инженеры уже предполагают двукратное увеличение количества всевозможных охлаждающих устройств. Не стоит забывать, что нас ждут серьезные изменения в области шасси и аэродинамики, так что работа над машиной во многом начинается с чистого листа.

Как работают электродвигатели?

Основная идея электродвигателя очень проста: вы подаете в него электричество с одного конца, а ось (металлический стержень) вращается на другом конце, давая вам возможность управлять машина какая-то.Как это работает на практике? Как именно твой преобразовать электричество в движение? Чтобы найти ответ на этот вопрос, мы вернуться в прошлое почти на 200 лет.

Предположим, вы берете кусок обычной проволоки, делаете из нее большую петлю, и положить его между полюсами мощной, постоянной подковы магнит. Теперь, если вы подключите два конца провода к батарее, провод будет прыгать кратко. Удивительно, когда ты видишь это впервые. Это прямо как по волшебству! Но есть совершенно научная объяснение. Когда электрический ток начинает ползти по проводу, он создает магнитное поле вокруг него. Если разместить провод рядом с постоянным магнит, это временное магнитное поле взаимодействует с постоянным поле магнита. Вы узнаете, что два магнита, расположенные рядом друг с другом либо притягивать, либо отталкивать. Точно так же временный магнетизм вокруг провода притягивает или отталкивает постоянный магнетизм от магнит, и это то, что заставляет провод прыгать.

Как работает электродвигатель — теория

Связь между электричеством, магнетизмом и движением была первоначально открыт в 1820 году французским физиком Андре-Мари. Ампер (1775–1867), и это фундаментальная наука, лежащая в основе электродвигателя.Но если мы хотим превратить это удивительное научное открытие в более практическое немного технологии для питания наших электрических косилок и зубных щеток, мы должны пойти немного дальше. Изобретателями, сделавшими это, были англичане Майкл Фарадей (1791–1867). и Уильям Стерджен (1783–1850) и американец Джозеф Генри (1797–1878). Вот как они пришли к своему гениальному изобретению.

Предположим, мы сгибаем нашу проволоку в квадратную U-образную петлю, чтобы эффективно два параллельных провода, проходящих через магнитное поле.Один из них отводит от нас электрический ток по проводу и другому один возвращает ток обратно. Поскольку ток течет в противоположных направлениях в проводах, правило левой руки Флеминга говорит нам, что два провода будут двигаться в противоположных направлениях. Другими словами, когда мы включите электричество, один из проводов поднимется вверх и другой будет двигаться вниз.

Если бы катушка проволоки могла двигаться вот так, она бы вращалась непрерывно — и мы были бы на пути к созданию электрического мотор.Но этого не может случиться с нашей нынешней установкой: провода будут быстро запутаться. Не только это, но если бы катушка могла вращаться далеко достаточно, что-то еще случилось бы. Как только катушка достигла вертикали положение, он перевернулся бы, поэтому электрический ток протекать через него в обратном направлении. Теперь силы на каждом сторона катушки перевернута. Вместо непрерывного вращения в в том же направлении, он будет двигаться в том же направлении, в котором только что пришел! Представьте электропоезд с таким двигателем: он будет держать шаркая взад и вперед на месте, даже не двигаясь в любом месте.

Фото: Электрик ремонтирует электродвигатель на борту авианосца. Блестящий металл, который он использует, может выглядеть как золото. но на самом деле это медь, хороший проводник, который намного дешевле. Фото Джейсона Якобовица предоставлено ВМС США.

Как работает электродвигатель на практике

Есть два способа решить эту проблему. Один из них заключается в использовании своего рода электрический ток, который периодически меняет направление, известное как переменный ток (АС).В виде небольшого, на батарейках двигатели, которые мы используем дома, лучшим решением будет добавить компонент называется коммутатором концы катушки. (Не беспокойтесь о бессмысленных технических имя: это немного старомодное слово «коммутация» немного похоже на слово «коммутировать». Это просто означает переход туда и обратно в одном и том же таким образом, что коммутировать означает путешествовать туда и обратно.) В своей простейшей форме коммутатор представляет собой металлическое кольцо, разделенное на две отдельные половины и его работа заключается в изменении направления электрического тока в катушке каждый раз, когда катушка поворачивается на пол-оборота.Один конец катушки присоединен к каждой половине коммутатора. Электрический ток от аккумулятора подключается к электрическим клеммам двигателя. Они подают электроэнергию в коммутатор через пару свободных разъемы, называемые щетками, сделанный либо из кусочков графита (мягкий углерод, похожий на карандашный «свинец») или тонкие отрезки упругого металла, который (как название предполагает) «кисть» против коммутатора. С коммутатор на месте, когда электричество течет по цепи, катушка будет постоянно вращаться в одном и том же направлении.

Работа: Упрощенная схема частей электрического мотор. Анимация: как это работает на практике. Обратите внимание, как коммутатор меняет направление тока каждый раз, когда катушка поворачивается. наполовину. Это означает, что сила на каждой стороне катушки всегда толкая в том же направлении, что заставляет катушку вращаться по часовой стрелке.

Такой простой экспериментальный двигатель не способен много силы. Мы можем увеличить вращающую силу (или крутящий момент) что двигатель можно создать тремя способами: либо мы можем иметь более мощный постоянный магнит, или мы можем увеличить электрический ток течет по проводу, или мы можем сделать катушку, чтобы у нее было много «витки» (петли) очень тонкой проволоки вместо одного «витка» толстой проволоки.На практике двигатель также имеет постоянный магнит, изогнутый в виде дуги. круглой формы, так что он почти касается катушки проволоки, которая вращается внутри него. Чем ближе друг к другу магнит и катушка, тем большее усилие, которое может создать двигатель.

Несмотря на то, что мы описали ряд различных частей, вы можете представить двигатель состоящим всего из двух основных компонентов:

  • По краю корпуса двигателя находится постоянный магнит (или магниты), который остается неподвижным, поэтому его называют статором двигателя.
  • Внутри статора есть катушка, установленная на оси, которая вращается с высокой скоростью, и это называется ротором. Ротор также включает в себя коллектор.

Универсальные двигатели

Такие двигатели постоянного тока

отлично подходят для игрушек с батарейным питанием (таких как модели поездов, радиоуправляемых автомобилей или электробритв), но вы не найдете их во многих бытовых приборах. Мелкие бытовые приборы (например, кофемолки или электрические блендеры) обычно используют так называемые универсальные двигатели , которые могут питаться как от переменного, так и от постоянного тока.В отличие от простого двигателя постоянного тока, универсальный двигатель имеет электромагнит вместо постоянного магнита, и он получает питание от постоянного или переменного тока, который вы подаете:

  • При подаче постоянного тока электромагнит работает как обычный постоянный магнит и создает магнитное поле, направленное всегда в одном направлении. Коммутатор меняет направление тока катушки каждый раз, когда катушка переворачивается, как в простом двигателе постоянного тока, поэтому катушка всегда вращается в одном направлении.
  • Однако, когда вы подаете переменный ток, ток, протекающий через электромагнит, и ток, протекающий через катушку , оба меняются местами, точно в шаге, поэтому сила, действующая на катушку, всегда в одном направлении, и двигатель всегда вращается по часовой стрелке. или против часовой стрелки.Что с коммутатором? Частота тока изменяется намного быстрее, чем вращается двигатель, и, поскольку поле и ток всегда синхронизированы, на самом деле не имеет значения, в каком положении находится коммутатор в любой данный момент.

Анимация: Как работает универсальный двигатель: Электропитание питает как магнитное поле, так и вращающуюся катушку. С питанием постоянного тока универсальный двигатель работает так же, как и обычный двигатель постоянного тока, как указано выше. При питании переменным током как магнитное поле, так и ток катушки меняют направление каждый раз, когда ток питания меняется на противоположное. Это означает, что сила на катушке всегда направлена ​​в одну сторону.

Фото: Внутри типичного универсального двигателя: Основные части внутри среднего двигателя от кофемолки, который может работать как от постоянного, так и от переменного тока. Серый электромагнит по краю — это статор (статическая часть), питающийся от катушек оранжевого цвета. Обратите также внимание на прорези в коллекторе и упирающиеся в него угольные щетки, которые обеспечивают питание ротора (вращающейся части). Асинхронные двигатели в таких вещах, как электропоезда, во много раз больше и мощнее, чем этот, и всегда работают с использованием переменного тока высокого напряжения (AC) вместо постоянного тока низкого напряжения (DC) или переменного тока умеренно низкого напряжения. который питает универсальные двигатели.

Электродвигатели прочие

Фото: Электродвигатели бывают всех форм и размеров. В этом школьном автобусе есть заменили старый грязный дизельный двигатель на большой электродвигатель (белая рамка) для уменьшения загрязнения воздуха. Фото Денниса Шредера предоставлено NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

В простых двигателях постоянного тока и универсальных двигателях ротор вращается внутри статора. Ротор представляет собой катушку, подключенную к источнику электропитания, а статор представляет собой постоянный магнит или электромагнит.Большие двигатели переменного тока (используемые в таких вещах, как фабричные машины) работают немного по-другому: они пропускают переменный ток через противоположные пары магнитов для создания вращающегося магнитного поля, которое «индуцирует» (создает) магнитное поле в роторе двигателя, вызывая это вращаться вокруг. Подробнее об этом можно прочитать в нашей статье об асинхронных двигателях переменного тока. Если вы возьмете один из этих асинхронных двигателей и «развернете» его, так что статор будет эффективно выложен в длинную непрерывную дорожку, ротор сможет катиться по ней по прямой линии.Эта гениальная конструкция известна как линейный двигатель, и вы найдете ее в таких вещах, как заводские машины и плавучие железные дороги «маглев» (магнитная левитация).

Другой интересной конструкцией является бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC). Статор и ротор эффективно меняются местами с несколькими статичными железными катушками в центре и постоянным магнитом, вращающимся вокруг них, а коммутатор и щетки заменяются электронной схемой. Вы можете прочитать больше в нашей основной статье о ступичных двигателях. Шаговые двигатели, которые поворачиваются на точно контролируемые углы, являются разновидностью бесщеточных двигателей постоянного тока.

электродвигатель | Британика

Простейший тип асинхронного двигателя показан в поперечном сечении на рисунке. Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть соединены либо по схеме «звезда», обычно без внешнего соединения с нейтральной точкой, либо по схеме «треугольник». Ротор состоит из цилиндрического железного сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены друг с другом на каждом конце ротора проводящим концевым кольцом.

Основу работы асинхронного двигателя можно разработать, если сначала предположить, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику электропитания и что в обмотках статора протекает набор из трех синусоидальных токов формы, показанной на рисунке. На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля в воздушном зазоре машины в течение шести мгновений цикла. Для простоты показана только центральная петля проводника для каждой фазной обмотки. В момент t 1 на рисунке ток в фазе a является максимальным положительным, а в фазах b и c вдвое меньше отрицательного значения.Результатом является магнитное поле с примерно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу. В момент времени t 2 на рисунке (т. е. на одну шестую цикла позже) ток в фазе c является максимальным отрицательным, в то время как в фазе b и фазе a составляет половину значения. положительный. Результат, как показано на рисунке для t 2 , снова представляет собой синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60° против часовой стрелки.Изучение распределения тока для t 3 , t 4 , t 5 и t 5 и t 6 показывает, что магнитное поле продолжает вращаться во времени. Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, совместное действие трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих по трем равномерно смещенным по угловому положению статорным обмоткам, должно создавать вращающееся магнитное поле с постоянной величиной и механической угловой скоростью, зависящей от частоты электроснабжение.

Вращательное движение магнитного поля по отношению к проводникам ротора вызывает индуцирование в каждом из них напряжения, пропорционального величине и скорости поля относительно проводников. Поскольку проводники ротора замкнуты накоротко друг с другом на каждом конце, эффект будет заключаться в том, что в этих проводниках будут протекать токи. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны наведенному напряжению, деленному на сопротивление проводника. На этом рисунке показана картина токов ротора для момента t 1 рисунка.Видно, что токи примерно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать крутящий момент против часовой стрелки на роторе (т. е. крутящий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается. Таким образом, индуцированное напряжение уменьшается, что приводит к пропорциональному уменьшению тока проводника ротора и крутящего момента.Скорость ротора достигает устойчивого значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, требуемому при этой скорости нагрузкой, без избыточного крутящего момента, доступного для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Вращающееся поле и создаваемые им токи в короткозамкнутых проводниках ротора.

Британская энциклопедия, Inc.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью. Первоначальных токов статора, показанных на рисунке, как раз достаточно для создания вращающегося магнитного поля.Чтобы поддерживать это вращающееся поле при наличии токов ротора на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае возникло бы. токами ротора на рисунке. Таким образом, общий ток статора в каждой фазной обмотке представляет собой сумму синусоидальной составляющей для создания магнитного поля и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или на 90 °, для обеспечения требуемой электрической мощности.Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть периода или 90°. При номинальной нагрузке эта составляющая намагничивания обычно находится в диапазоне от 0,4 до 0,6 величины составляющей мощности.

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазной сети постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичное линейное напряжение питания находится в диапазоне от 230 вольт для двигателей относительно малой мощности (например,г., от 0,5 до 50 киловатт) до примерно 15 киловольт линейное для мощных двигателей примерно до 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласовано со скоростью изменения во времени магнитного потока в статоре машины. Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля поддерживается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле вращается на один оборот за каждый цикл частоты питания. При частоте питания 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную, чтобы индуцировать требуемое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для крутящего момента нагрузки. При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 % ниже рабочей скорости (часто называемой синхронной скоростью), при этом более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера.Эту разницу в скорости часто называют скольжением.

Другие синхронные скорости можно получить с источником постоянной частоты, создав машину с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f — частота в герцах (циклов в секунду), а p — число полюсов (которое должно быть четное число).Данную железную раму можно намотать для любого из нескольких возможных чисел пар полюсов, используя катушки, расположенные под углом примерно (360/ p )°. Крутящий момент, доступный от корпуса машины, останется неизменным, так как он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для 60-герцовых двигателей составляют 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Электродвигатель — Energy Education

Рисунок 1. Электродвигатель от старого пылесоса. [1] Рисунок 2. Электрический ротор. [2]

Электродвигатель — это устройство, используемое для преобразования электричества в механическую энергию, в отличие от электрического генератора. Они работают, используя принципы электромагнетизма, которые показывают, что сила применяется, когда электрический ток присутствует в магнитном поле. Эта сила создает крутящий момент на проволочной петле, находящейся в магнитном поле, что заставляет двигатель вращаться и выполнять полезную работу.Двигатели используются в самых разных областях, таких как вентиляторы, электроинструменты, бытовая техника, электромобили и гибридные автомобили.

Как они работают

Двигатели имеют множество различных рабочих частей, чтобы они могли постоянно вращаться, обеспечивая мощность по мере необходимости. Двигатели могут работать от постоянного тока (DC) или переменного тока (AC), и оба имеют свои преимущества и недостатки. Для целей этой статьи будет проанализирован двигатель постоянного тока, чтобы прочитать о двигателях переменного тока, нажмите здесь.

Основные части двигателя постоянного тока включают: [3]

  • Статор: Неподвижная часть двигателя, особенно магнит.Электромагниты часто используются для обеспечения большей мощности.
  • Ротор: Катушка, установленная на оси и вращающаяся с высокой скоростью, обеспечивая систему механической энергией вращения.
  • Коллектор: Этот компонент является ключевым в двигателях постоянного тока, его можно увидеть на рис. 3 и 4. Без него ротор не смог бы непрерывно вращаться из-за противодействующих сил, создаваемых изменяющимся током. Коммутатор позволяет ротору вращаться, меняя направление тока каждый раз, когда катушка делает пол-оборота.
  • Щетки: Подключаются к клеммам источника питания, позволяя электроэнергии поступать в коммутатор.
  • Двигатель постоянного тока
  • Рисунок 3: Базовая установка двигателя постоянного тока. [3]

  • Рисунок 4: Анимация двигателя в действии. Коллектор вращается, чтобы ротор вращался непрерывно. [3]

Каталожные номера

Электродвигатель — Энциклопедия Нового Света

Вращающееся магнитное поле как сумма магнитных векторов от трех фазных катушек

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в кинетическую энергию.Обратная задача — преобразование кинетической энергии в электрическую — решается генератором или динамо-машиной. Во многих случаях два устройства отличаются только своим приложением и незначительными деталями конструкции, а некоторые приложения используют одно устройство для выполнения обеих ролей. Например, тяговые двигатели, используемые на локомотивах, часто выполняют обе задачи, если локомотив оборудован динамическими тормозами.

Большинство электродвигателей работают за счет электромагнетизма, но также существуют двигатели, основанные на других электромеханических явлениях, таких как электростатические силы и пьезоэлектрический эффект.Фундаментальный принцип, на котором основаны электромагнитные двигатели, заключается в том, что на любой провод с током, находящийся в магнитном поле, действует механическая сила. Сила описывается законом силы Лоренца и перпендикулярна как проводу, так и магнитному полю.

Большинство магнитных двигателей являются вращательными, но существуют и линейные двигатели. В роторном двигателе вращающаяся часть (обычно внутри) называется ротором, а неподвижная часть называется статором. Ротор вращается, потому что провода и магнитное поле расположены так, что вокруг оси ротора создается крутящий момент.Двигатель содержит электромагниты, намотанные на раме. Хотя эту раму часто называют арматурой, этот термин часто применяют ошибочно. Правильно якорем называется та часть двигателя, на которую подается входное напряжение. В зависимости от конструкции машины якорем может служить либо ротор, либо статор.

Двигатели постоянного тока

Электродвигатели различных размеров. Ротор от небольшого двигателя постоянного тока 3В. Этот двигатель имеет 3 катушки, а коммутатор можно увидеть на ближнем конце.

Один из первых электромагнитных роторных двигателей был изобретен Майклом Фарадеем в 1821 году и состоял из свободно висящего провода, погруженного в ванну с ртутью. Постоянный магнит помещали в середину бассейна с ртутью. Когда по проводу пропускали ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток порождал круговое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируют на школьных уроках физики, но вместо токсичной ртути иногда используют рассол (соленую воду).Это простейшая форма класса электродвигателей, называемых униполярными двигателями. Более поздней доработкой является колесо Барлоу.

В другой ранней конструкции электродвигателя использовался возвратно-поступательный плунжер внутри переключаемого соленоида; концептуально его можно рассматривать как электромагнитную версию двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Томас Дэвенпорт построил небольшой электродвигатель постоянного тока в 1834 году, используя его для движения игрушечного поезда по круговой дорожке. Он получил патент на него в 1837 году.

Современный двигатель постоянного тока был изобретен случайно в 1873 году, когда Зеноб Грамм соединил вращающуюся динамо-машину со вторым аналогичным устройством, приведя его в действие как двигатель.Машина Грамма была первым электродвигателем промышленного назначения; более ранние изобретения использовались как игрушки или лабораторные диковинки.

Классический двигатель постоянного тока имеет вращающийся якорь в виде электромагнита. Поворотный переключатель, называемый коммутатором, дважды за цикл меняет направление электрического тока, чтобы течь через якорь, так что полюса электромагнита толкают и тянут постоянные магниты снаружи двигателя. Когда полюса электромагнита якоря проходят через полюса постоянных магнитов, коммутатор меняет полярность электромагнита якоря.В этот момент переключения полярности импульс поддерживает движение классического двигателя в правильном направлении. (См. схемы ниже.)

  • Вращение двигателя постоянного тока
  • Простой электродвигатель постоянного тока. Когда на катушку подается питание, вокруг якоря создается магнитное поле. Левая сторона якоря отталкивается от левого магнита и тянется вправо, вызывая вращение.

  • Якорь продолжает вращаться.

  • Когда якорь становится горизонтально, коммутатор меняет направление тока через катушку на противоположное, меняя магнитное поле.Затем процесс повторяется.

Мотор постоянного тока для раневого поля

Постоянные магниты на внешней стороне (статоре) двигателя постоянного тока могут быть заменены электромагнитами. Изменяя ток возбуждения, можно изменить соотношение скорости и крутящего момента двигателя. Обычно обмотка возбуждения размещается последовательно (последовательная обмотка) с обмоткой якоря для получения низкоскоростного двигателя с высоким крутящим моментом, параллельно (шунтовая обмотка) с якорем для получения высокоскоростного двигателя с низким крутящим моментом или для имеют обмотку частично параллельную и частично последовательную (составная обмотка) для баланса, который обеспечивает постоянную скорость в диапазоне нагрузок. Раздельное возбуждение также распространено, с фиксированным напряжением возбуждения, скорость регулируется изменением напряжения якоря. Дальнейшее снижение тока возбуждения возможно для получения еще более высокой скорости, но, соответственно, более низкого крутящего момента, что называется режимом «слабого поля».

Теория

Если вал двигателя постоянного тока вращается внешней силой, двигатель будет действовать как генератор и создавать электродвижущую силу (ЭДС). Это напряжение также генерируется при нормальной работе двигателя.Вращение двигателя создает напряжение, известное как противо-ЭДС (CEMF) или противо-ЭДС, потому что оно противодействует приложенному к двигателю напряжению. Следовательно, падение напряжения на двигателе состоит из падения напряжения из-за этого CEMF и паразитного падения напряжения из-за внутреннего сопротивления обмоток якоря.

Поскольку CEMF пропорциональна скорости двигателя, при первом запуске или полной остановке электродвигателя CEMF равна нулю. Поэтому ток через якорь намного больше.Этот сильный ток создаст сильное магнитное поле, которое запустит двигатель. По мере вращения двигателя CEMF увеличивается до тех пор, пока не сравняется с приложенным напряжением за вычетом паразитного падения напряжения. В этот момент через двигатель будет протекать меньший ток.

Регулятор скорости

Как правило, скорость вращения двигателя постоянного тока пропорциональна приложенному к нему напряжению, а крутящий момент пропорционален току. Регулирование скорости может быть достигнуто с помощью различных ответвлений батареи, переменного напряжения питания, резисторов или электронного управления.Направление двигателя постоянного тока с возбужденным полем можно изменить, поменяв местами соединения возбуждения или якоря, но не то и другое одновременно. Обычно это делается с помощью специального набора контакторов (контакторов направления).

Эффективное напряжение можно изменять путем включения последовательного резистора или переключающего устройства с электронным управлением, состоящего из тиристоров, транзисторов или, ранее, ртутных дуговых выпрямителей. В схеме, известной как прерыватель, среднее напряжение, подаваемое на двигатель, изменяется за счет очень быстрого переключения напряжения питания.Поскольку соотношение «включено» и «выключено» изменяется для изменения среднего приложенного напряжения, скорость двигателя изменяется. Процент времени «включения», умноженный на напряжение питания, дает среднее напряжение, подаваемое на двигатель.

Поскольку двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи. Другое применение — стартеры для бензиновых и небольших дизельных двигателей. Серийные двигатели никогда не должны использоваться в приложениях, где привод может выйти из строя (например, ременные передачи).По мере ускорения двигателя ток якоря (и, следовательно, возбуждения) уменьшается. Уменьшение поля заставляет двигатель ускоряться (см. «слабое поле» в последнем разделе), пока он не разрушится. Это также может быть проблемой для железнодорожных двигателей в случае потери сцепления, поскольку, если их быстро не взять под контроль, двигатели могут развивать скорость намного выше, чем в обычных условиях. Это может вызвать проблемы не только для самих двигателей и шестерен, но и из-за разницы скоростей между рельсами и колесами, а также серьезно повредить рельсы и гусеницы, поскольку они быстро нагреваются и остывают.Ослабление поля используется в некоторых электронных элементах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В простейшей форме используется контактор и резистор для ослабления поля, электронное управление отслеживает ток двигателя и включает резистор для ослабления поля в цепь, когда ток двигателя падает ниже заданного значения (это происходит, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше своей нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным крутящий момент на низкой скорости.

Одним из интересных методов управления скоростью двигателя постоянного тока является регулирование Уорда-Леонарда. Это метод управления двигателем постоянного тока (обычно с шунтовой или комбинированной обмоткой), который был разработан как метод обеспечения двигателя с регулируемой скоростью от источника переменного тока (переменного тока), хотя он не лишен своих преимуществ в схемах постоянного тока. Источник переменного тока используется для привода двигателя переменного тока, обычно асинхронного двигателя, который приводит в действие генератор постоянного тока или динамо-машину. Выход постоянного тока якоря напрямую подключен к якорю двигателя постоянного тока (обычно идентичной конструкции).Шунтирующие обмотки возбуждения обеих машин постоянного тока возбуждаются через переменный резистор от якоря генератора. Этот переменный резистор обеспечивает очень хорошее управление скоростью от состояния покоя до полной скорости, а также постоянный крутящий момент. Этот метод управления был методом де-факто с момента его разработки до тех пор, пока он не был вытеснен твердотельными тиристорными системами. Он нашел применение практически в любой среде, где требовался хороший контроль скорости, от пассажирских лифтов до больших подъемных механизмов шахты и даже промышленных технологических машин и электрических кранов.Его основным недостатком было то, что для реализации схемы требовалось три машины (пять в очень больших установках, поскольку машины постоянного тока часто дублировались и управлялись тандемным переменным резистором). Во многих приложениях двигатель-генератор часто оставляли включенным постоянно, чтобы избежать задержек, которые в противном случае были бы вызваны его запуском по мере необходимости. Многие устаревшие установки Ward-Leonard все еще находятся в эксплуатации.

Универсальные двигатели

Вариант раневого поля Двигатель постоянного тока Универсальный двигатель . Название происходит от того факта, что он может использовать переменный ток (переменный ток) или постоянный ток, хотя на практике они почти всегда используются с источниками переменного тока. Принцип заключается в том, что в двигателе постоянного тока с возбужденным полем ток как в поле, так и в якоре (и, следовательно, в результирующих магнитных полях) будет чередоваться (обратная полярность) в одно и то же время, и, следовательно, создаваемая механическая сила всегда в одном и том же направлении. . На практике двигатель должен быть специально разработан для работы с переменным током (необходимо учитывать импеданс, а также пульсирующую силу), и результирующий двигатель, как правило, менее эффективен, чем эквивалентный чистый двигатель постоянного тока .Максимальная мощность универсальных двигателей, работающих на обычных частотах сети, ограничена, а двигатели мощностью более одного киловатта встречаются редко. Но универсальные двигатели также составляют основу традиционного тягового железнодорожного двигателя. В этом приложении, чтобы сохранить их электрический КПД на высоком уровне, они работали от очень низкочастотных источников переменного тока, с обычным режимом работы 25 Гц и 16 2 / 3 Гц. Поскольку это универсальные двигатели, локомотивы этой конструкции также обычно могли работать от третьего рельса, питаемого от постоянного тока.

Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники питания переменного тока могут использоваться с двигателями, которые имеют типичные характеристики двигателей постоянного тока, особенно высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию при использовании высоких рабочих скоростей. Отрицательным аспектом являются проблемы с обслуживанием и коротким сроком службы, вызванные коммутатором. В результате такие двигатели обычно используются в устройствах переменного тока, таких как миксеры для пищевых продуктов и электроинструменты, которые используются только с перерывами. Непрерывное регулирование скорости универсального двигателя, работающего на переменном токе, очень легко осуществляется с помощью тиристорной схемы, в то время как ступенчатое регулирование скорости может осуществляться с помощью нескольких отводов на катушке возбуждения.Бытовые блендеры, которые рекламируют много скоростей, часто сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими ответвлениями и диод, который можно вставить последовательно с двигателем (заставляя двигатель работать на полуволновом постоянном токе с 0,707 среднеквадратичного напряжения сети переменного тока). линия электропередачи).

В отличие от двигателей переменного тока, универсальные двигатели могут легко превысить один оборот за цикл сетевого тока. Это делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где требуется высокая скорость работы. Двигатели многих пылесосов и триммеров превышают 10 000 об/мин, Dremel и другие подобные миниатюрные шлифовальные машины часто превышают 30 000 об/мин.Теоретически универсальный двигатель, которому разрешено работать без механической нагрузки, будет работать с превышением скорости, что может привести к его повреждению. В реальной жизни, однако, различные трения в подшипниках, «парусность» якоря и нагрузка любого встроенного охлаждающего вентилятора — все это предотвращает превышение скорости.

Благодаря очень низкой стоимости полупроводниковых выпрямителей в некоторых приложениях, в которых раньше использовался универсальный двигатель, теперь используется двигатель постоянного тока, обычно с полем постоянного магнита. Это особенно верно, если полупроводниковая схема также используется для управления переменной скоростью.

Преимущества универсального двигателя и распределения переменного тока сделали установку системы распределения низкочастотного тягового тока экономичной для некоторых железнодорожных установок. На достаточно низких частотах производительность двигателя примерно такая же, как если бы двигатель работал на постоянном токе.

Двигатели переменного тока (переменного тока)

В 1882 году Никола Тесла открыл принцип вращающегося магнитного поля и впервые применил вращающееся силовое поле для управления машинами.Он использовал этот принцип для разработки уникального двухфазного асинхронного двигателя в 1883 году. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал эту концепцию. В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в статье для Королевской академии наук в Турине.

Внедрение двигателя Теслы в 1888 г. положило начало так называемой Второй промышленной революции, сделавшей возможным эффективное производство и распределение электроэнергии на большие расстояния с использованием системы передачи переменного тока, также изобретенной Теслой (1888 г.).До изобретения вращающегося магнитного поля двигатели работали, постоянно пропуская проводник через стационарное магнитное поле (как в униполярных двигателях).

Тесла предположил, что коммутаторы можно снять с машины, и устройство сможет работать на вращающемся силовом поле. Профессор Пёшель, его учитель, заявил, что это было бы похоже на создание вечного двигателя. [1] Тесла позже получит патент США 0416194 (PDF), Электродвигатель (декабрь 1889 г.), который напоминает двигатель, который можно увидеть на многих фотографиях Теслы.Этот классический электромагнитный двигатель переменного тока представлял собой асинхронный двигатель .

Энергия статора Энергия ротора Суммарная поставленная энергия Мощность развиваемая
10 90 100 900
50 50 100 2500

В асинхронном двигателе , поле и якорь в идеале имели одинаковую напряженность поля, а сердечники возбуждения и якоря имели одинаковые размеры.Полная энергия, подводимая к работе устройства, равнялась сумме энергии, затрачиваемой на обмотки якоря и обмотки возбуждения. [2] Мощность, развиваемая при работе устройства, равнялась произведению энергии, затраченной на якорь и катушки возбуждения. [3]

Михаил Осипович Доливо-Добровольский позже изобрел трехфазный «клетка-ротор» в 1890 году. Успешная коммерческая многофазная система генерации и передачи на большие расстояния была разработана Алмерианом Декером в Милл-Крик №1 [4] в Редлендсе, Калифорния. [5]

Компоненты и типы

Типовой двигатель переменного тока состоит из двух частей:

  1. Внешний стационарный статор с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и;
  2. Внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, которому вращающееся поле придает крутящий момент.

Существует два основных типа двигателей переменного тока, в зависимости от типа используемого ротора:

  • Синхронный двигатель, который вращается точно с частотой сети или с частотой, кратной частоте сети, и;
  • Асинхронный двигатель, который вращается немного медленнее и обычно (хотя и не всегда) имеет форму двигателя с короткозамкнутым ротором.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока мощностью 1 л.с. (746 Вт) и 25 Вт с небольшими двигателями от проигрывателя компакт-дисков, игрушек и приводов для чтения компакт-дисков и DVD-дисков.

Там, где доступно многофазное электропитание, обычно используется трехфазный (или многофазный) асинхронный двигатель переменного тока, особенно для двигателей большей мощности. Разность фаз между тремя фазами многофазного источника питания создает вращающееся электромагнитное поле в двигателе.

За счет электромагнитной индукции вращающееся магнитное поле индуцирует ток в проводниках ротора, который, в свою очередь, создает уравновешивающее магнитное поле, заставляющее ротор вращаться в направлении вращения поля.Ротор всегда должен вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазным источником питания; в противном случае в роторе не будет создаваться уравновешивающего поля.

Асинхронные двигатели являются рабочими лошадками промышленности, а двигатели мощностью до 500 кВт (670 лошадиных сил) выпускаются с строго стандартизированными размерами рамы, что делает их почти полностью взаимозаменяемыми между производителями (хотя европейские и североамериканские стандартные размеры различаются). Очень большие синхронные двигатели с выходной мощностью в десятки тысяч кВт для трубопроводных компрессоров, приводов аэродинамических труб и систем наземных преобразователей.

В асинхронных двигателях используются роторы двух типов.

Роторы с короткозамкнутым ротором: Наиболее распространенные двигатели переменного тока используют ротор с короткозамкнутым ротором, который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Беличья клетка получила свое название из-за своей формы — кольца на обоих концах ротора с стержнями, соединяющими кольца по всей длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитая между металлическими пластинами ротора, и обычно видны только торцевые кольца.Подавляющее большинство токов ротора будет протекать через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно покрытые лаком. Для стержней и торцевых колец типичны очень низкие напряжения при очень высоких токах; В высокоэффективных двигателях часто используется литая медь, чтобы уменьшить сопротивление ротора.

В работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой — когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие токи ротора; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы синхронизировать ротор с полем статора.Ненагруженный двигатель с короткозамкнутым ротором на синхронной скорости будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости вращения ротора с учетом потерь на трение и сопротивление; по мере увеличения механической нагрузки будет увеличиваться и электрическая нагрузка — электрическая нагрузка неразрывно связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.

Вот почему, например, двигатель вентилятора с короткозамкнутым ротором может вызывать приглушение света в доме при запуске, но не приглушает свет, когда его вентиляторный ремень (и, следовательно, механическая нагрузка) снимается.Кроме того, заглохший двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, при попытке запуска. Если что-то еще не ограничит ток (или не отключит его полностью), вероятным результатом будет перегрев и разрушение изоляции обмотки.

Практически каждая стиральная машина, посудомоечная машина, автономный вентилятор, проигрыватель и т. д. использует тот или иной вариант двигателя с короткозамкнутым ротором.

Ротор с обмоткой: Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда требуется переменная скорость.В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, как и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки соединяют контактные кольца с внешним контроллером, таким как переменный резистор, который позволяет изменять коэффициент скольжения двигателя. В некоторых мощных приводах с регулируемой скоростью с фазным ротором энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор.

По сравнению с роторами с короткозамкнутым ротором двигатели с фазным ротором дороги и требуют обслуживания контактных колец и щеток, но они были стандартной формой для регулирования скорости до появления компактных электронных устройств.Транзисторные инверторы с частотно-регулируемым приводом теперь можно использовать для управления скоростью, а двигатели с фазным ротором становятся менее распространенными. (Транзисторные инверторные приводы также позволяют использовать более эффективные трехфазные двигатели, когда доступен только однофазный ток сети, но это никогда не используется в бытовых приборах, потому что это может вызвать электрические помехи и из-за высоких требований к мощности.)

Используется несколько методов запуска многофазного двигателя. Там, где допускается большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить от сети, подав на клеммы полное линейное напряжение (прямой пуск, DOL).Там, где необходимо ограничить пусковой ток (когда мощность двигателя велика по сравнению с мощностью короткого замыкания источника питания), используется пуск при пониженном напряжении с помощью последовательных катушек индуктивности, автотрансформатора, тиристоров или других устройств. Иногда используется метод пуска по схеме звезда-треугольник, при котором катушки двигателя сначала соединяются звездой для ускорения нагрузки, а затем переключаются на треугольник, когда нагрузка достигает нужной скорости. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке.Транзисторные приводы могут напрямую изменять приложенное напряжение в зависимости от пусковых характеристик двигателя и нагрузки.

Этот тип двигателя становится все более распространенным в тяговых устройствах, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель.

Скорость в двигателе этого типа традиционно изменялась за счет дополнительных наборов катушек или полюсов в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовой электроники означает, что теперь можно изменять частоту источника питания, чтобы обеспечить более плавное регулирование скорости двигателя.

Трехфазные синхронные двигатели переменного тока

Если соединения с катушками ротора трехфазного двигателя выведены на контактные кольца и на них подается отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), то результат называется синхронным. двигатель, потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания.

Синхронный двигатель также можно использовать в качестве генератора переменного тока.

В настоящее время синхронные двигатели часто приводятся в действие транзисторными частотно-регулируемыми приводами. Это значительно облегчает задачу запуска массивного ротора большого синхронного двигателя. Их также можно запускать как асинхронные двигатели с использованием короткозамкнутой обмотки с общим ротором: как только двигатель достигает синхронной скорости, в короткозамкнутой обмотке не индуцируется ток, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя. , помимо стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.

Синхронные двигатели иногда используются в качестве тяговых двигателей.

Двухфазные серводвигатели переменного тока

Типовой двухфазный серводвигатель переменного тока имеет короткозамкнутый ротор и обмотку, состоящую из двух обмоток: 1) основной обмотки постоянного напряжения (AC) и 2) обмотки управляющего напряжения (AC) в квадратуре с основная обмотка, чтобы создать вращающееся магнитное поле. Электрическое сопротивление ротора намеренно сделано высоким, чтобы кривая скорость-момент была достаточно линейной.Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, сильно заниженными для управления нагрузкой.

Однофазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные двигатели по своей природе создают вращающееся магнитное поле. Однако, когда доступна только однофазная мощность, вращающееся магнитное поле необходимо создавать с помощью других средств. Обычно используются несколько методов.

Распространенным однофазным двигателем является двигатель с расщепленными полюсами, который используется в устройствах, требующих низкого крутящего момента, таких как электрические вентиляторы или другие мелкие бытовые приборы.В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса обмотана медной катушкой или лентой; индуцированный ток в ремешке противодействует изменению потока через катушку (закон Ленца), так что максимальная напряженность поля перемещается по поверхности полюса в каждом цикле, создавая тем самым необходимое вращающееся магнитное поле.

Другим распространенным однофазным двигателем переменного тока является асинхронный двигатель с расщепленной фазой , , обычно используемый в крупных бытовых приборах, таких как стиральные машины и сушилки для белья.По сравнению с двигателем с расщепленными полюсами эти двигатели обычно могут обеспечивать гораздо больший пусковой момент за счет использования специальной пусковой обмотки в сочетании с центробежным выключателем.

В двигателе с расщепленной фазой пусковая обмотка имеет более высокое сопротивление, чем рабочая обмотка. Это создает цепь LR, которая немного сдвигает фазу тока в пусковой обмотке. При пуске двигателя пусковая обмотка подключается к источнику питания через набор подпружиненных контактов, на которые нажимает еще не вращающийся центробежный переключатель.

Фаза магнитного поля в этой пусковой обмотке смещена относительно фазы сетевого питания, что позволяет создать движущееся магнитное поле, запускающее двигатель. Как только двигатель достигает скорости, близкой к расчетной, срабатывает центробежный переключатель, размыкающий контакты и отключающий пусковую обмотку от источника питания. В этом случае двигатель работает только на рабочей обмотке. Пусковую обмотку необходимо отключить, так как это увеличит потери в двигателе.

В двигателе с конденсаторным пуском , пусковой конденсатор включен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь, которая способна к гораздо большему фазовому сдвигу (и, следовательно, к гораздо большему пусковому моменту). Конденсатор, естественно, увеличивает стоимость таких двигателей.

Другим вариантом является двигатель с постоянным раздельным конденсатором (PSC) (также известный как двигатель с конденсаторным пуском и работой). Этот двигатель работает аналогично двигателю с конденсаторным пуском, описанному выше, но в нем нет центробежного пускового выключателя, а вторая обмотка постоянно подключена к источнику питания.Двигатели PSC часто используются в устройствах обработки воздуха, вентиляторах и воздуходувках, а также в других случаях, когда требуется переменная скорость.

Репульсные двигатели представляют собой однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, аналогичные универсальным двигателям. В репульсионном двигателе щетки якоря закорочены вместе, а не соединены последовательно с полем. Было изготовлено несколько типов отталкивающих двигателей, но наиболее часто использовался асинхронный двигатель с отталкивающим пуском и запуском (RS-IR).Двигатель RS-IR имеет центробежный переключатель, который закорачивает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный двигатель, когда он разогнан до полной скорости. Двигатели RS-IR использовались для обеспечения высокого пускового момента на ампер в условиях низких рабочих температур и плохого регулирования напряжения источника. По состоянию на 2006 год продается несколько репульсионных двигателей любого типа.

Однофазные синхронные двигатели переменного тока

Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут иметь намагниченный ротор (или несколько вариантов этой идеи).Роторы в этих двигателях не требуют индуктивного тока, поэтому они не скользят назад по отношению к частоте сети. Вместо этого они вращаются синхронно с частотой сети. Из-за их очень точной скорости такие двигатели обычно используются для питания механических часов, аудиопроигрывателей и ленточных накопителей; раньше они также широко использовались в точных приборах для измерения времени, таких как ленточные самописцы или приводные механизмы телескопа. Синхронный двигатель с расщепленными полюсами является одной из версий.

Моментные двигатели

Моментный двигатель — это особый вид асинхронного двигателя, способный работать неограниченное время в остановленном состоянии (с заблокированным от вращения ротором) без повреждений.В этом режиме двигатель будет прикладывать к нагрузке постоянный крутящий момент (отсюда и название). Обычным применением моментного двигателя могут быть двигатели подающей и приемной катушек в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимом в действие от низкого напряжения, характеристики этих двигателей позволяют прикладывать к ленте относительно постоянное легкое натяжение независимо от того, подает ли ведущая лента ленту мимо головок ленты. Приводимые в действие более высоким напряжением (и, таким образом, обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели также могут выполнять быструю перемотку вперед и назад, не требуя каких-либо дополнительных механизмов, таких как шестерни или муфты.В компьютерном мире моментные двигатели используются с рулевыми колесами с силовой обратной связью.

Шаговые двигатели

По конструкции с трехфазными синхронными двигателями переменного тока тесно связаны шаговые двигатели, в которых внутренний ротор, содержащий постоянные магниты или большой железный сердечник с выступающими полюсами, управляется набором внешних магнитов, переключаемых электронным способом. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и соленоидом. Поскольку на каждую катушку по очереди подается питание, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения под напряжением.В отличие от синхронного двигателя, при его применении двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» от одного положения к другому, поскольку обмотки возбуждения последовательно включаются и обесточиваются. В зависимости от последовательности ротор может вращаться вперед или назад.

Двигатель с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами аналогичен обычному двигателю постоянного тока, за исключением того факта, что обмотка возбуждения заменена постоянными магнитами. При этом двигатель будет действовать как двигатель постоянного тока с постоянным возбуждением (двигатель постоянного тока с отдельным возбуждением).

Эти двигатели обычно имеют небольшую мощность, до нескольких лошадиных сил. Они используются в небольших бытовых приборах, транспортных средствах с батарейным питанием, в медицинских целях, в другом медицинском оборудовании, таком как рентгеновские аппараты. Эти двигатели также используются в игрушках и в автомобилях в качестве вспомогательных двигателей для регулировки сидений, электрических стеклоподъемников, люка на крыше, регулировки зеркал, двигателей вентиляторов, вентиляторов охлаждения двигателя и т.п.

Последней разработкой являются двигатели PSM для электромобилей.- Высокая эффективность — Минимальный запирающий момент и волнистость поверхности крутящего момента — Небольшие требования к пространству, компактные размеры — Малый вес источник [3]

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью прижимать щетки к коллектору. Это создает трение. На более высоких скоростях щеткам все труднее поддерживать контакт. Щетки могут отскакивать от неровностей поверхности коллектора, создавая искры.Это ограничивает максимальную скорость машины. Плотность тока на единицу площади щеток ограничивает мощность двигателя. Несовершенный электрический контакт также вызывает электрические помехи. Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подвержен износу и обслуживанию. Сборка коллектора на большой машине является дорогостоящим элементом, требующим точной сборки многих деталей.

Эти проблемы устранены в бесколлекторном двигателе. В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или узел коллектора/щетки заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора.Бесщеточные двигатели обычно имеют КПД 85-90 процентов, тогда как двигатели постоянного тока с щеточным механизмом обычно имеют КПД 75-80 процентов.

На полпути между обычными двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями находится бесщеточный двигатель постоянного тока. Построенные по принципу шаговых двигателей, они часто используют внешний ротор с постоянным магнитом , три фазы приводных катушек, одно или несколько устройств на эффекте Холла для определения положения ротора и связанную с ним электронику привода. Специализированный класс контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока использует обратную связь по ЭДС через основные фазовые соединения вместо датчиков Холла для определения положения и скорости.Эти двигатели широко используются в электрических радиоуправляемых транспортных средствах, и моделисты называют их двигателями outrunner (поскольку магниты находятся снаружи).

Бесколлекторные двигатели постоянного тока обычно используются там, где необходимо точное регулирование скорости, в компьютерных дисководах или кассетных видеомагнитофонах, шпинделях в приводах компакт-дисков, компакт-дисков (и т. д.) и механизмах в офисных устройствах, таких как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. . Они имеют ряд преимуществ перед обычными двигателями:

  • По сравнению с вентиляторами переменного тока, использующими двигатели с расщепленными полюсами, они очень эффективны и работают намного медленнее, чем аналогичные двигатели переменного тока.Эта холодная работа приводит к значительному увеличению срока службы подшипников вентилятора.
  • Без изнашиваемого коллектора срок службы бесщеточного двигателя постоянного тока может быть значительно больше по сравнению с двигателем постоянного тока, использующим щетки и коммутатор. Коммутация также имеет тенденцию вызывать сильный электрический и радиочастотный шум; без коммутатора или щеток бесщеточный двигатель можно использовать в электрически чувствительных устройствах, таких как аудиооборудование или компьютеры.
  • Те же самые устройства на эффекте Холла, которые обеспечивают коммутацию, могут также обеспечивать удобный сигнал тахометра для приложений с замкнутым контуром управления (управляемых сервоприводом).В вентиляторах сигнал тахометра можно использовать для получения сигнала «вентилятор в порядке».
  • Двигатель можно легко синхронизировать с внутренними или внешними часами, что обеспечивает точное регулирование скорости.
  • Бесщеточные двигатели не имеют шансов искрения, в отличие от щеточных двигателей, что делает их более подходящими для сред с летучими химическими веществами и топливом.

Мощность современных бесщеточных двигателей постоянного тока варьируется от долей ватта до многих киловатт. В электромобилях используются более крупные бесщеточные двигатели мощностью до 100 кВт.Они также находят широкое применение в высокопроизводительных электрических моделях самолетов.

Электродвигатели постоянного тока без сердечника

Ничто в конструкции любого из двигателей, описанных выше, не требует, чтобы железные (стальные) части ротора действительно вращались; крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов. Преимущество этого факта заключается в том, что двигатель постоянного тока без сердечника представляет собой специализированную форму щеточного двигателя постоянного тока. Эти двигатели, оптимизированные для быстрого ускорения, имеют ротор без железного сердечника.Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра внутри магнитов статора, корзины, окружающей магниты статора, или плоского блина (возможно, сформированного на печатной монтажной плате), проходящего между верхним и нижним магнитами статора. Обмотки обычно стабилизируются пропиткой эпоксидными смолами.

Поскольку ротор намного легче по весу (массе), чем обычный ротор, образованный из медных обмоток на стальных пластинах, ротор может ускоряться намного быстрее, часто достигая механической постоянной времени менее 1 мс.Это особенно верно, если в обмотках используется алюминий, а не более тяжелая медь. Но поскольку в роторе нет металлической массы, которая действовала бы как радиатор, даже небольшие двигатели без сердечника часто должны охлаждаться принудительным воздухом.

Эти двигатели обычно использовались для привода шпилей магнитных ленточных накопителей и до сих пор широко используются в высокопроизводительных системах с сервоуправлением.

Линейные двигатели

Линейный двигатель — это, по сути, электродвигатель, который был «развернут» таким образом, что вместо создания крутящего момента (вращения) он создает линейную силу по всей своей длине, создавая бегущее электромагнитное поле.

Линейные двигатели чаще всего представляют собой асинхронные или шаговые двигатели. Вы можете найти линейный двигатель в поезде на магнитной подвеске (Transrapid), где поезд «летает» над землей.

Электродвигатель двойного питания

Электродвигатели с двойным питанием или электрические машины с двойным питанием включают в себя два многофазных набора обмоток с независимым питанием, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т. от субсинхронной до сверхсинхронной скорости.В результате электродвигатели с двойным питанием представляют собой синхронные машины с эффективным диапазоном скоростей постоянного момента, который в два раза превышает синхронную скорость для данной частоты возбуждения. Это в два раза превышает диапазон скоростей с постоянным крутящим моментом по сравнению с электрическими машинами с односторонним питанием, которые включают в себя один активный набор обмоток. Теоретически этот атрибут имеет привлекательную стоимость, размер и эффективность по сравнению с электрическими машинами с однократным питанием, но двигатели с двойным питанием трудно реализовать на практике.

Электрические машины двойного питания с фазным ротором, Бесщеточные электрические машины двойного питания с фазным ротором и так называемые Бесщеточные электрические машины двойного питания являются единственными примерами синхронных электрических машин двойного питания.

Электродвигатель с односторонним питанием

Электродвигатели с однополярным питанием или электрические машины с однофазным питанием включают одиночный многофазный набор обмоток, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т. е. однофазные). Электрические машины с односторонним питанием работают либо по индукционному (то есть асинхронному), либо по синхронному принципу. Активный набор обмотки может иметь электронное управление для оптимальной производительности. Асинхронные машины обладают пусковым моментом и могут работать как автономные машины, но синхронные машины должны иметь вспомогательные средства для запуска и практической работы, такие как электронный контроллер.

Асинхронные (асинхронные) двигатели (т. е. с короткозамкнутым ротором или фазным ротором), синхронные двигатели (т. е. с возбуждением от возбуждения, двигатели постоянного тока с постоянными магнитами или бесщеточные двигатели постоянного тока, реактивные двигатели и т. д.), которые обсуждаются на этой странице, примеры двигателей с односторонним питанием. На сегодняшний день двигатели с односторонним питанием являются преимущественно устанавливаемым типом двигателей.

Двигатель с двойным механическим портом

Электродвигатели с двойным механическим портом (или электродвигатель DMP) считаются новой концепцией электродвигателя.Точнее, электродвигатели ДМП на самом деле представляют собой два электродвигателя (или генератора), занимающие один и тот же корпус. Каждый двигатель работает по традиционным принципам электродвигателя. Электрические порты электродвигателей, которые могут включать в себя электронную поддержку, связаны с одним электрическим портом, в то время как два механических порта (вала) доступны снаружи. Теоретически ожидается, что физическая интеграция двух двигателей в один повысит удельную мощность за счет эффективного использования неиспользуемой площади магнитного сердечника.Механика интеграции, например двух механических валов, может быть довольно экзотической.

Наномотор нанотрубки

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали подшипники вращения на основе многослойных углеродных нанотрубок. Прикрепив золотую пластину (с размерами порядка 100 нм) к внешней оболочке подвешенной многостенной углеродной нанотрубки (наподобие вложенных углеродных цилиндров), они способны электростатически вращать внешнюю оболочку относительно внутреннего ядра.Эти подшипники очень прочные; Устройства подвергались колебаниям тысячи раз без признаков износа. Работа была выполнена на месте в РЭМ. Эти наноэлектромеханические системы (НЭМС) представляют собой следующий шаг в миниатюризации, который в будущем может найти применение в коммерческих аспектах.

Процесс и технология видны на этом рендере.

Пускатели двигателей

ПротивоЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. Когда питание впервые подается 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 меньше одного Ома; поэтому ток через якорь будет очень большим при подаче питания. Этот ток может привести к чрезмерному падению напряжения, влияя на другое оборудование в цепи. Или просто отключить устройства защиты от перегрузки.

  • Поэтому возникает необходимость в дополнительном сопротивлении последовательно с якорем для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не создаст противоЭДС.По мере увеличения вращения двигателя сопротивление постепенно отключается.

Трехточечный стартер

Входящая мощность обозначается как L1 и L2. Компоненты внутри пунктирных линий образуют трехточечный пускатель. Как следует из названия, к стартеру подключено всего три соединения. Соединения с якорем обозначены как A1 и A2. Концы катушки возбуждения обозначены как F1. и F2. Для управления скоростью полевой реостат подключается последовательно с шунтирующим полем.Одна сторона линии соединена с рычагом стартера (обозначен стрелкой на схеме). Рычаг подпружинен, поэтому он вернется в положение «Выключено», не удерживаясь ни в каком другом положении.

  • На первом шаге плеча к шунтирующему полю приложено полное линейное напряжение. Поскольку реостат возбуждения обычно настроен на минимальное сопротивление, скорость двигателя не будет чрезмерной; кроме того, двигатель будет развивать большой пусковой момент.
  • Стартер также включает электромагнит последовательно с шунтирующим полем.Он будет удерживать руку на месте, когда рука соприкасается с магнитом.
  • При этом это напряжение подается на шунтирующее поле, а пусковое сопротивление ограничивает поступление тока на якорь.
  • По мере того, как двигатель набирает скорость, создается противоэдс, плечо медленно перемещается до короткого замыкания.

Четырехточечный стартер

Четырехточечный стартер устраняет недостаток трехточечного стартера. В дополнение к тем же трем точкам, которые использовались с трехточечным стартером, другая сторона линии, L1, является четвертой точкой, подводимой к стартеру.Когда рычаг перемещается из положения «Выключено», катушка удерживающего магнита подключается поперек линии. Удерживающий магнит и пусковые резисторы работают так же, как и в трехточечном пускателе.

  • Случайное размыкание цепи возбуждения маловероятно. Четырехточечный пускатель обеспечивает защиту двигателя от обесточивания. При отключении питания двигатель отключается от сети.

См. также

Компоненты:

  • Центробежный переключатель
  • Коллектор (электрический)
  • Контактное кольцо

Ученые и инженеры:

Приложения:

  • Настольная пила
  • Электромобиль
  • Коррекция коэффициента мощности

Другое:

  • Электротехника
  • Электрический элемент
  • Электрический генератор
  • Список тем по электронике
  • Список технологий
  • Теорема о максимальной мощности
  • Мотор-генератор
  • Контроллер двигателя
  • Метод движения
  • Однофазная электроэнергия
  • Хронология двигателей и технологии двигателей

Примечания

  1. ↑ Ранние годы Теслы PBS.орг .
  2. ↑ Патент США 0416194, «Электродвигатель», декабрь 1889 г.
  3. ↑ Патент США 0416194, «Электродвигатель», декабрь 1889 г.
  4. ↑ [1] electrichistory.com .
  5. ↑ [2] redlandsweb.com .

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Bedford, B.D., R.G. Hoft, et al. Принципы инверторных схем. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1964.ISBN 0471061344 . (Схемы инвертора используются для управления скоростью двигателя с переменной частотой)
  • Чиассон, Джон Н. Моделирование и высокопроизводительное управление электрическими машинами , Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press, 2005. ISBN 047168449X.
  • Финк, Дональд Г., Х. Уэйн Бити. Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1978. ISBN 007020974X.
  • Фицджеральд, А. Э., Чарльз Кингсли-младший, Стивен Д. Уманс. Электрические машины. Колумбус, Огайо: McGraw-Hill Science/Engineering/Math, 2002. ISBN 0073660094.
  • Хьюстон, Эдвин Дж., Артур Кеннелли. Последние типы динамо-электрических машин. авторское право American Technical Book Company 1897, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: P.F. Кольер и сыновья, 1902 г. ASIN B000874XH6
  • .
  • Pelly, B. R. Тиристорные преобразователи с фазовым управлением и циклопреобразователи. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 1971. ISBN 0471677906
  • Shanefield D. J. Промышленная электроника для инженеров, химиков и техников. Норидж, Нью-Йорк: Издательство Уильяма Эндрю, 2001. ISBN 0815514670.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света авторов и редакторов переписали и дополнили статью Википедии в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства.Упоминание должно быть выполнено в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Что такое взрывозащищенный электродвигатель?

Профилактическая безопасность требует тщательного выбора оборудования, особенно электродвигателей, для опасных сред добычи нефти и газа, химической и нефтеперерабатывающей и горнодобывающей промышленности.

Двигатели могут вызвать взрыв одним из двух способов:

  • Поверхность двигателя нагревается во время работы настолько, что воспламеняется пар, газ или пыль проблема с электропитанием, воспламеняет окружающий материал

Взрывозащищенные двигатели необходимы для промышленного применения в присутствии легковоспламеняющихся, вездесущих материалов.Взрывобезопасность не означает, что двигатель никогда не взорвется или что он невосприимчив к внешним взрывам. Скорее, взрывозащищенный двигатель имеет функции, которые предотвращают воспламенение более крупной горючей атмосферы в результате внутреннего взрыва двигателя.

Сертификация UL

Рис. 1. Пример идентификационной таблички из списка UL. Источник: Worldwide Electric

Двигатели, соответствующие сертификату взрывозащищенности UL, четко идентифицируются по идентификационной табличке UL, прикрепленной к корпусу двигателя.Табличка определяет класс, категорию и групповое соответствие двигателя.

Чтобы получить сертификат и паспортную табличку, двигатели-кандидаты должны соответствовать критериям испытаний, установленным промышленным стандартом UL — 674: Электродвигатели и генераторы для использования в опасных (классифицированных) зонах. Производители представляют ожидаемые рабочие характеристики двигателя-кандидата, такие как число оборотов в минуту, крутящий момент, мощность и частота, а также описание сопутствующего оборудования, такого как частотно-регулируемые приводы (ЧРП). UL проводит разрушающие испытания, чтобы определить повышение температуры двигателя и убедиться, что двигатель соответствует критериям сертификации UL.

UL сертифицирует двигатели для различных классов и разделов, подходящих для конкретных применений и воздействия материалов.

Класс I, раздел 1

Рис. 2. Взрывозащищенный двигатель класса I, раздела 1, групп C и D. Источник: Worldwide Electric


В помещениях класса I присутствуют горючие концентрации паров или газов. Помещения категории 1 предполагают наличие легковоспламеняющихся материалов при нормальной работе оборудования.

Эти двигатели работают с учетом того, что пар или газ будут проникать в корпус, поэтому основное внимание при проектировании уделяется предотвращению возникновения крупного взрыва из-за единичной неисправности — внутреннего отказа двигателя.

Эти двигатели соответствуют самым строгим стандартам взрывозащиты:

  • Корпус двигателя, устойчивый к внутреннему взрыву
  • Пути выхода пламени, которые гасят пламя и позволяют горячим газам выходить из корпуса -температура воспламенения пара, газа или пыли в предполагаемой среде

Класс I, категория 2

Категория 2 Помещения содержат горючий окружающий газ или пар только во время неисправности оборудования.При нормальной работе оборудования газа или пара не будет.

Спецификации категории 2 по-прежнему строгие, но менее строгие, чем для категории 1, поскольку для возникновения взрыва требуются две одновременные неисправности — двигатель и подача газа. Указание действительно взрывозащищенного двигателя, относящегося к категории 1, для применения в соответствии с требованиями категории 2 обеспечит требуемую безопасность, но за счет чрезмерного проектирования.

Основными соображениями для двигателей класса I, раздела 2 являются то, что температура поверхности остается ниже температуры самовоспламенения пара или газа, а компоненты двигателя, такие как щетки или переключатели, не должны вызывать искрение.

Группы класса I

Сами материалы дополнительно классифицируются по давлению взрыва и температуре воспламенения.

  • Группа C: ацетальдегид, циклопропан, диэтиловый эфир, этилен, изопрен
  • Группа D: ацетон, аммиак, бензол, бутан, этан, этанол, бензин, метан, пропан, стирол

Класс II

Класс II содержат горючую пыль, а предотвращение возгорания осуществляется иначе, чем класс I. В то время как практически невозможно предотвратить попадание газа в корпус двигателя, легче предотвратить попадание твердых частиц.

Прерогативой двигателей класса II является предотвращение контакта горючих материалов с источником воспламенения. Это означает, что корпус двигателя и компоненты никогда не должны превышать температуру самовоспламенения для предполагаемого материала пыли, даже если скапливается толстый изолирующий слой.

Помещения категории 1 содержат горючую пыль при нормальных условиях; Места, соответствующие категории 2, не будут содержать пыль, если только не возникнет неисправность.

Группы класса II

Группа F: уголь

Группа G: кукуруза, нейлон, полиэтилен, сахар, пшеница, пшеничная мука

Выбор

Для всех вышеупомянутых применений и отраслей промышленности выбор двигателя является серьезным фактором безопасности.Корпорация WorldWide Electric может помочь клиентам сделать оптимальный и экономичный выбор, чтобы обеспечить использование правильных взрывозащищенных двигателей для чувствительных приложений.


ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ – Прикладное промышленное электричество

После введения компанией Edison в США системы распределения электроэнергии постоянного тока начался постепенный переход к более экономичной системе переменного тока. Освещение работало как на переменном токе, так и на постоянном. Передача электроэнергии на большие расстояния с меньшими потерями на переменном токе.Однако у двигателей была проблема с переменным током. Первоначально двигатели переменного тока были сконструированы как двигатели постоянного тока, но возникали многочисленные проблемы из-за изменяющихся магнитных полей.

Рисунок 5.1    Схема семейства электродвигателей переменного тока

   

Чарльз П. Стейнмец внес свой вклад в решение этих проблем, исследуя гистерезисные потери в железной арматуре. Никола Тесла представил себе совершенно новый тип двигателя, когда представил себе вращающуюся турбину, вращаемую не водой или паром, а вращающимся магнитным полем.Его новый тип двигателя, асинхронный двигатель переменного тока, по сей день является рабочей лошадкой в ​​отрасли. Его прочность и простота обеспечивают долгий срок службы, высокую надежность и низкие эксплуатационные расходы. Тем не менее, небольшие коллекторные двигатели переменного тока, подобные двигателям постоянного тока, сохраняются в небольших бытовых приборах вместе с небольшими асинхронными двигателями Тесла. Мощность выше одной лошадиной силы (750 Вт) безраздельно властвует двигатель Tesla.

Современные твердотельные электронные схемы управляют бесщеточными двигателями постоянного тока с помощью сигналов переменного тока, генерируемых источником постоянного тока.Бесщеточный двигатель постоянного тока, фактически двигатель переменного тока, заменяет обычный щеточный двигатель постоянного тока во многих приложениях. А шаговый двигатель , цифровая версия двигателя, приводится в действие прямоугольными волнами переменного тока, опять же, генерируемыми полупроводниковой схемой. На рисунке выше показано генеалогическое древо двигателей переменного тока, описанных в этой главе.

Круизные лайнеры и другие крупные суда заменяют карданные валы с редуктором большими генераторами и двигателями мощностью в несколько мегаватт. Так было с дизель-электрическими локомотивами меньшего масштаба в течение многих лет.

 

Рисунок 5.2 Диаграмма уровня системы двигателя

 

На системном уровне (рисунок выше) двигатель потребляет электрическую энергию в виде разности потенциалов и протекающего тока, преобразуя ее в механическую работу. К сожалению, электродвигатели не на 100% эффективны. Часть электрической энергии теряется в виде тепла, другого вида энергии, из-за потерь I2R (также называемых потерями в меди) в обмотках двигателя. Тепло является нежелательным побочным продуктом этого преобразования. Он должен быть удален с двигателя и может отрицательно сказаться на долговечности.Таким образом, одной из целей является максимальное повышение КПД двигателя за счет снижения тепловых потерь. У двигателей переменного тока также есть некоторые потери, отсутствующие у двигателей постоянного тока: гистерезис и вихревые токи.

Большинство двигателей переменного тока являются асинхронными. Асинхронные двигатели предпочтительнее из-за их прочности и простоты. Фактически, 90% промышленных двигателей являются асинхронными.

Никола Тесла разработал основные принципы многофазного асинхронного двигателя в 1883 году и к 1888 году имел модель мощностью в поллошадиной силы (400 Вт). Тесла продал права на производство Джорджу Вестингаузу за 65 000 долларов.Наиболее крупными (> 1 л.с. или 1 кВт) промышленными двигателями являются многофазные асинхронные двигатели . Под многофазностью мы подразумеваем, что статор содержит несколько отдельных обмоток на полюс двигателя, приводимых в действие соответствующими сдвинутыми во времени синусоидами. На практике это две-три фазы. Большие промышленные двигатели трехфазные. Хотя для простоты мы включили многочисленные иллюстрации двухфазных двигателей, мы должны подчеркнуть, что почти все многофазные двигатели являются трехфазными. Под асинхронным двигателем мы подразумеваем, что обмотки статора индуцируют ток в проводниках ротора, подобно трансформатору, в отличие от щеточного коллекторного двигателя постоянного тока.

Конструкция асинхронного двигателя переменного тока

Асинхронный двигатель состоит из ротора, известного как якорь, и статора с обмотками, подключенными к многофазному источнику энергии, как показано на рисунке ниже. Простой двухфазный асинхронный двигатель, показанный ниже, аналогичен двигателю мощностью 1/2 лошадиной силы, который Никола Тесла представил в 1888 году.

Рисунок 5.3 Многофазный асинхронный двигатель Тесла

Статор на рисунке выше намотан парами катушек, соответствующих фазам доступной электрической энергии.Статор двухфазного асинхронного двигателя имеет 2 пары катушек, по одной паре для каждой из двух фаз переменного тока. Отдельные катушки пары соединены последовательно и соответствуют противоположным полюсам электромагнита. То есть одна катушка соответствует N-полюсу, другая — S-полюсу до тех пор, пока фаза переменного тока не изменит полярность. Другая пара катушек ориентирована в пространстве под углом 90° к первой паре. Эта пара катушек подключена к переменному току, сдвинутому во времени на 90° в случае двухфазного двигателя. Во времена Теслы источником двух фаз переменного тока был двухфазный генератор переменного тока.Статор на рисунке выше имеет выступающие , явно выступающие полюса, которые использовались в раннем асинхронном двигателе Теслы. Эта конструкция по сей день используется для двигателей малой мощности (<50 Вт). Однако для более крупных двигателей меньшая пульсация крутящего момента и более высокий КПД получаются, если катушки встроены в пазы, вырезанные в листах статора (рисунок ниже).

 

Рисунок 5.4 Рама статора с прорезями для обмоток

 

Пластины статора представляют собой тонкие изолированные кольца с прорезями, выбитыми из листов электротехнической стали.Их стопка закреплена концевыми винтами, которые также могут удерживать концевые корпуса.

 

Рисунок 5.5     Статор с (a) 2-φ и (b) 3-φ обмотками

   

На рисунке выше обмотки двухфазного и трехфазного двигателей установлены в пазах статора. Катушки наматываются на внешнее приспособление, а затем вставляются в пазы. Изоляция, зажатая между периферией катушки и пазом, защищает от истирания. Реальные обмотки статора более сложны, чем отдельные обмотки на полюс на рисунке выше.Сравнивая двигатель 2-φ с двигателем Теслы 2-φ с явно выраженными полюсами, количество катушек такое же. В реальных больших двигателях полюсная обмотка разделена на одинаковые катушки, вставленные во множество меньших пазов, чем указано выше. Эта группа называется фазовый ремень (см. рисунок ниже). Распределенные катушки фазового пояса подавляют некоторые нечетные гармоники, создавая более синусоидальное распределение магнитного поля поперек полюса. Это показано в разделе синхронного двигателя. Прорези на краю стержня могут иметь меньше витков, чем другие прорези.Краевые пазы могут содержать обмотки от двух фаз. То есть фазовые пояса перекрываются.

 

Рисунок 5.6 Перекрытие фазовых поясов

 

Ключом к популярности асинхронного двигателя переменного тока является его простота, о чем свидетельствует простой ротор (рисунок ниже). Ротор состоит из вала, многослойного стального ротора и встроенной медной или алюминиевой короткозамкнутой клетки , показанной на (b), снятой с ротора. По сравнению с якорем двигателя постоянного тока коллектор отсутствует. Это устраняет щетки, искрение, искрообразование, графитовую пыль, регулировку и замену щеток, а также повторную обработку коллектора.

 

Рисунок 5.7 Многослойный ротор с (а) встроенной короткозамкнутой клеткой, (б) токопроводящей клеткой, снятой с ротора

 

Проводники с короткозамкнутым ротором могут быть перекошены, перекручены по отношению к валу. Несоосность с пазами статора снижает пульсации крутящего момента. Сердечники ротора и статора состоят из пакета изолированных пластин. Пластины покрыты изолирующим оксидом или лаком для минимизации потерь на вихревые токи. Сплав, используемый в пластинах, выбран из-за низких гистерезисных потерь.

Принцип работы асинхронных двигателей

Краткое объяснение работы заключается в том, что статор создает вращающееся магнитное поле, которое притягивает ротор. Теория работы асинхронных двигателей основана на вращающемся магнитном поле. Одним из способов создания вращающегося магнитного поля является вращение постоянного магнита. Если движущиеся магнитные линии потока разрезают проводящий диск, он будет следовать за движением магнита. Линии потока, пересекающие проводник, будут индуцировать напряжение и, как следствие, протекание тока в проводящем диске.Этот поток тока создает электромагнит, полярность которого противоположна движению постоянного магнита — Закон Ленца . Полярность электромагнита такова, что он притягивает постоянный магнит. Диск следует с немного меньшей скоростью, чем постоянный магнит.

Рисунок 5.8 Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске

Вращающееся магнитное поле создает крутящий момент в проводящем диске

Крутящий момент, развиваемый диском, пропорционален количеству линий потока, пересекающих диск, и скорости, с которой он режет диск.Если бы диск вращался с той же скоростью, что и постоянный магнит, не было бы ни потока, разрезающего диск, ни протекания индуцированного тока, ни электромагнитного поля, ни крутящего момента. Таким образом, скорость диска всегда будет отставать от скорости вращения постоянного магнита, так что линии потока, пересекающие диск, индуцируют ток, создают электромагнитное поле в диске, которое следует за постоянным магнитом. Если к диску приложена нагрузка, замедляющая его, будет развиваться больший крутящий момент, поскольку больше линий потока пересекает диск. Крутящий момент пропорционален проскальзыванию , степени, в которой диск отстает от вращающегося магнита.Большее скольжение соответствует большему потоку, пересекающему проводящий диск, развивая больший крутящий момент. Аналоговый автомобильный вихретоковый спидометр основан на принципе, показанном выше. Когда диск удерживается пружиной, отклонение диска и иглы пропорционально скорости вращения магнита. Вращающееся магнитное поле создается двумя катушками, расположенными под прямым углом друг к другу, приводимыми в движение токами, которые сдвинуты по фазе на 90°. Это не должно вызывать удивления, если вы знакомы с паттернами Лиссажу на осциллографе.

 

Рисунок 5.9 Синусоидальные волны, не соответствующие фазе (90°), создают круговую диаграмму Лиссажу

 

Сдвинутые по фазе (90°) синусоидальные волны создают круговую диаграмму Лиссажу На приведенном выше рисунке круговая кривая Лиссажу создается путем возбуждения горизонтальных и вертикальных входных сигналов осциллографа с синусоидальными волнами, сдвинутыми по фазе на 90°. Начиная с (а) с максимальным «X» и минимальным «Y» отклонением, трасса движется вверх и влево к (b). Между (a) и (b) две формы волны равны 0.707 Впик при 45°. Эта точка (0,707, 0,707) попадает на радиус окружности между (a) и (b). Трассировка движется к (b) с минимальным «X» и максимальным «Y» отклонением. При максимальном отрицательном «X» и минимальном отклонении «Y» трасса перемещается в (c). Затем с минимальным «X» и максимальным отрицательным «Y» он перемещается в (d) и обратно в (a), завершая один цикл.

 

Рисунок 5.10 Окружность синуса по оси X и косинуса по оси Y

 

На рисунке показаны две синусоидальные волны со сдвигом по фазе на 90°, прикладываемые к отклоняющим пластинам осциллографа, которые находятся под прямым углом в пространстве.Комбинация синусоиды с фазой 90° и отклонения под прямым углом приводит к двумерному рисунку – кругу. Этот круг описывается электронным лучом, вращающимся против часовой стрелки.

Полная скорость двигателя и скорость синхронного двигателя

Скорость вращения вращающегося магнитного поля статора связана с количеством пар полюсов на фазу статора. На приведенном ниже рисунке «полная скорость» всего шесть полюсов или три пары полюсов и три фазы. Однако на каждую фазу приходится только одна пара полюсов.Магнитное поле будет вращаться один раз за цикл синусоидальной волны. В случае мощности 60 Гц поле вращается со скоростью 60 раз в секунду или 3600 оборотов в минуту (об/мин). При мощности 50 Гц он вращается со скоростью 50 оборотов в секунду или 3000 об/мин. 3600 и 3000 об/мин — это синхронная скорость двигателя. Хотя ротор асинхронного двигателя никогда не достигает этой скорости, это, безусловно, верхний предел. Если мы удвоим количество полюсов двигателя, синхронная скорость уменьшится вдвое, потому что магнитное поле поворачивается на 180° в пространстве на 360° электрической синусоиды.

 

Рис. 5.11 Удвоение полюсов статора вдвое снижает синхронную скорость

 

Синхронная скорость определяется как:

[латекс]N_s = \frac{120 \cdot f}{P}[/latex]

 

Где:

N s = Скорость магнитного поля (об/мин)

f = частота подаваемой мощности (Гц)

P = общее количество полюсов на фазу, кратное 2

Приведенный выше рисунок «половина скорости» имеет четыре полюса на фазу (3 фазы).Синхронная скорость для мощности 50 Гц: S = 120·50/4 = 1500 об/мин

Краткое объяснение асинхронного двигателя состоит в том, что вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, тащит за собой ротор. Более длинное и более правильное объяснение состоит в том, что магнитное поле статора индуцирует переменный ток в проводниках короткозамкнутого ротора, который представляет собой трансформатор. вторичный. Этот индуцированный ток ротора, в свою очередь, создает магнитное поле. Магнитное поле вращающегося статора взаимодействует с этим полем ротора.Поле ротора пытается выровняться с вращающимся полем статора. Результатом является вращение короткозамкнутого ротора. Если бы не было механической нагрузки крутящего момента двигателя, подшипников, аэродинамических или других потерь, ротор вращался бы с синхронной скоростью. Однако проскальзывание между ротором и полем синхронного статора создает крутящий момент. Именно магнитный поток, разрезающий проводники ротора при его проскальзывании, создает крутящий момент. Таким образом, нагруженный двигатель будет проскальзывать пропорционально механической нагрузке.Если бы ротор вращался с синхронной скоростью, не было бы ни потока статора, разрезающего ротор, ни тока, индуцируемого в роторе, ни крутящего момента.

Крутящий момент в асинхронных двигателях

Когда на двигатель впервые подается питание, ротор находится в состоянии покоя, а магнитное поле статора вращается с синхронной скоростью N с . Поле статора режет ротор с синхронной скоростью N s . Ток, наведенный в короткозамкнутых витках ротора, максимален, как и частота тока, частота сети.По мере увеличения скорости ротора скорость, с которой поток статора пересекает ротор, представляет собой разницу между синхронной скоростью N s и фактической скоростью N, или (N s  – N). Отношение фактического потока, обрезающего ротор, к синхронной скорости определяется как скольжение :

.

 

[латекс]s = \frac{(N_s — N)}{N_s}[/латекс]

Где:

N с = синхронная скорость

Н = скорость ротора

 

Частота тока, индуцированного в проводниках ротора, равна частоте сети при запуске двигателя и уменьшается по мере приближения ротора к синхронной скорости. Частота ротора определяется как:

[латекс]f_r = s \cdot f[/латекс]

Где:

с = скольжение,

f = частота питающей сети статора

 

Проскальзывание при 100% крутящем моменте обычно составляет 5% или менее в асинхронных двигателях. Таким образом, для частоты сети f = 50 Гц частота наведенного тока в роторе:

f r = S(f )
= 0,05 (50 Гц)
= 2,5 Гц.

Почему так мало? Магнитное поле статора вращается с частотой 50 Гц.Скорость ротора меньше на 5%. Вращающееся магнитное поле режет ротор только на частоте 2,5 Гц. 2,5 Гц — это разница между синхронной скоростью и фактической скоростью вращения ротора. Если ротор будет вращаться немного быстрее, на синхронной скорости, никакой поток вообще не перережет ротор, f r  = 0,

 

Рисунок 5.12. Крутящий момент и скорость в зависимости от % скольжения.

 

На приведенном выше графике показано, что пусковой крутящий момент, известный как крутящий момент с заблокированным ротором (T LR ), превышает 100% крутящего момента при полной нагрузке (T FL ), безопасного постоянного крутящего момента.Крутящий момент заблокированного ротора составляет около 175% от T FL для приведенного выше примера двигателя. Пусковой ток, известный как ток блокировки ротора (I LR ), составляет 500% от тока полной нагрузки (I FL ), безопасного рабочего тока. Ток высокий, потому что это аналогично закороченной вторичной обмотке трансформатора. Когда ротор начинает вращаться, крутящий момент может немного уменьшиться для определенных классов двигателей до значения, известного как подтягивающий момент . Это самое низкое значение крутящего момента, с которым когда-либо сталкивался пусковой двигатель.Когда ротор набирает 80 % синхронной скорости, крутящий момент увеличивается со 175 % до 300 % крутящего момента при полной нагрузке. Этот разрывной крутящий момент (T BD ) возникает из-за большего, чем обычно, проскальзывания на 20%. Ток уменьшился лишь незначительно в этой точке, но будет быстро уменьшаться после этой точки. Когда ротор разгоняется до нескольких процентов от синхронной скорости, крутящий момент и ток существенно уменьшаются. Проскальзывание будет составлять всего несколько процентов при нормальной работе. Для работающего двигателя любая часть кривой крутящего момента ниже 100 % номинального крутящего момента является нормальной.Нагрузка двигателя определяет рабочую точку на кривой крутящего момента. В то время как крутящий момент и ток двигателя могут превышать 100 % в течение нескольких секунд во время запуска, непрерывная работа при превышении 100 % может привести к повреждению двигателя. Любая нагрузка по крутящему моменту двигателя выше предельного крутящего момента приведет к остановке двигателя. Крутящий момент, скольжение и ток будут приближаться к нулю для состояния нагрузки «отсутствие механического крутящего момента». Это состояние аналогично открытому вторичному трансформатору. Существует несколько основных конструкций асинхронных двигателей, демонстрирующих значительные отклонения от приведенной выше кривой крутящего момента.Различные конструкции оптимизированы для запуска и работы с различными типами нагрузок. Крутящий момент заблокированного ротора (T LR ) для двигателей различных конструкций и размеров находится в диапазоне от 60% до 350% крутящего момента при полной нагрузке (T FL ). Пусковой ток или ток блокировки ротора (I LR ) может составлять от 500% до 1400% тока полной нагрузки (I FL ). Это потребление тока может представлять проблему для запуска больших асинхронных двигателей.

Классы двигателей NEMA и IEC

Различные стандартные классы (или конструкции) для двигателей, соответствующие кривым крутящего момента (рисунок ниже), были разработаны для лучшего управления нагрузками различных типов.Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) определила классы двигателей A, B, C и D для соответствия этим требованиям привода. Аналогичные классы N и H Международной электротехнической комиссии (МЭК) соответствуют конструкциям NEMA B и C соответственно.

Рисунок 5.13 Характеристики конструкций NEMA

 

Характеристики конструкций NEMA

Все двигатели, кроме класса D, работают с проскальзыванием 5% или менее при полной нагрузке.

  • Класс B (IEC Класс N)  двигатели по умолчанию используются в большинстве приложений.При пусковом моменте LRT = от 150% до 170% FLT он может запускать большинство нагрузок без чрезмерного пускового тока (LRT). КПД и коэффициент мощности высокие. Обычно он приводит в действие насосы, вентиляторы и станки.
  • Класс A Пусковой крутящий момент такой же, как у класса B. Отпускной крутящий момент и пусковой ток (LRT) выше. Этот двигатель справляется с кратковременными перегрузками, которые встречаются в машинах для литья под давлением.
  • Класс C (IEC Класс H)  имеет более высокий пусковой крутящий момент, чем классы A и B, при LRT = 200 % от FLT.Этот двигатель применяется для нагрузок с жестким пуском, которые должны приводиться в движение с постоянной скоростью, таких как конвейеры, дробилки, поршневые насосы и компрессоры.
  • Двигатели класса D имеют самый высокий пусковой момент (LRT) в сочетании с низким пусковым током из-за высокого скольжения (от 5% до 13% при FLT). Большое скольжение приводит к снижению скорости. Регулировка скорости плохая. Тем не менее, двигатель отлично справляется с нагрузками с высокой переменной скоростью, такими как те, для которых требуется маховик с накоплением энергии. Области применения включают штамповочные прессы, ножницы и элеваторы.
  • Электродвигатели класса E представляют собой версию класса B с более высоким КПД.
  • Двигатели класса F имеют гораздо более низкие LRC, LRT и пусковой момент, чем класс B. Они управляют постоянными, легко запускаемыми нагрузками.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели имеют отстающий (индуктивный) коэффициент мощности по отношению к линии электропередачи. Коэффициент мощности в больших полностью нагруженных высокоскоростных двигателях может достигать 90 % для больших высокоскоростных двигателей. При 3/4 полной нагрузки максимальный коэффициент мощности высокоскоростного двигателя может составлять 92%.Коэффициент мощности для небольших тихоходных двигателей может составлять всего 50 %. При пуске коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 10% до 25%, увеличиваясь по мере того, как ротор достигает скорости. Коэффициент мощности (PF) значительно зависит от механической нагрузки двигателя (рисунок ниже). Ненагруженный двигатель аналогичен трансформатору без резистивной нагрузки на вторичной обмотке. Небольшое сопротивление отражается от вторичной обмотки (ротор) к первичной обмотке (статор). Таким образом, линия электропередач испытывает реактивную нагрузку всего 10% PF. Когда ротор нагружается, увеличивающаяся резистивная составляющая отражается от ротора к статору, увеличивая коэффициент мощности.

 

Рисунок 5.14 Коэффициент мощности и КПД асинхронного двигателя

КПД асинхронных двигателей

Большие трехфазные двигатели более эффективны, чем трехфазные двигатели меньшего размера и почти все однофазные двигатели. КПД большого асинхронного двигателя может достигать 95% при полной нагрузке, хотя чаще встречается 90%. КПД слабонагруженного или ненагруженного асинхронного двигателя низкий, поскольку большая часть тока приходится на поддержание намагничивающего потока. По мере увеличения нагрузки по крутящему моменту для создания крутящего момента потребляется больше тока, в то время как ток, связанный с намагничиванием, остается постоянным.Эффективность при 75% FLT может быть немного выше, чем при 100% FLT. Эффективность снижается на несколько процентов при 50% FLT и еще на несколько процентов при 25% FLT. Эффективность становится плохой только ниже 25% FLT. Изменение КПД в зависимости от нагрузки показано на рисунке выше. Асинхронные двигатели обычно имеют увеличенный размер, чтобы гарантировать, что их механическая нагрузка может запускаться и приводиться в действие при любых условиях эксплуатации. Если многофазный двигатель нагружается при крутящем моменте менее 75 % от номинального, когда КПД достигает пика, эффективность снижается лишь незначительно до 25 % FLT.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА в конце 1970-х годов предложил корректор коэффициента мощности (PFC) в качестве энергосберегающего устройства для однофазных асинхронных двигателей. Он основан на предположении, что асинхронный двигатель с неполной нагрузкой менее эффективен и имеет более низкий коэффициент мощности, чем двигатель с полной нагрузкой. Таким образом, в двигателях с частичной нагрузкой, в частности, в двигателях 1-φ, необходимо экономить энергию. Энергия, потребляемая для поддержания магнитного поля статора, относительно постоянна по отношению к изменениям нагрузки.В то время как в полностью нагруженном двигателе нечего экономить, напряжение на частично нагруженном двигателе может быть уменьшено, чтобы уменьшить энергию, необходимую для поддержания магнитного поля. Это повысит коэффициент мощности и КПД. Это была хорошая концепция для общеизвестно неэффективных однофазных двигателей, для которых она предназначалась. Эта концепция не очень применима к большим трехфазным двигателям. Из-за их высокой эффективности (90%+) экономия энергии невелика. Более того, двигатель с КПД 95 % по-прежнему имеет КПД 94 % при 50 % крутящего момента при полной нагрузке (FLT) и КПД 90 % при 25 % FLT.Потенциальная экономия энергии при переходе от 100 % FLT к 25 % FLT представляет собой разницу в эффективности 95 % – 90 % = 5 %. Это не 5% мощности при полной нагрузке, а 5% мощности при пониженной нагрузке. Корректор коэффициента мощности Nola может быть применим к 3-фазному двигателю, который большую часть времени работает на холостом ходу (ниже 25% FLT), например, к штамповочному прессу. Срок окупаемости дорогого электронного контроллера оценивается как непривлекательный для большинства приложений. Тем не менее, это может быть экономично в составе электронного пускателя двигателя или регулятора скорости.Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если это привод

.

Асинхронные двигатели в качестве генераторов переменного тока

Асинхронный двигатель может работать как генератор переменного тока, если он приводится в действие крутящим моментом, превышающим 100 % синхронной скорости (рисунок ниже). Это соответствует нескольким процентам «отрицательного» скольжения, скажем, -1%. Это означает, что, поскольку мы вращаем двигатель быстрее, чем синхронная скорость, ротор движется на 1% быстрее, чем магнитное поле статора. Обычно он отстает на 1% в двигателе.Поскольку ротор пересекает магнитное поле статора в противоположном направлении (вперед), ротор индуцирует напряжение в статоре, возвращая электрическую энергию обратно в линию электропередачи.

 

Рисунок 5.15    Отрицательный крутящий момент превращает асинхронный двигатель в генератор

 

Такой индукционный генератор должен возбуждаться от «живого» источника мощностью 50 или 60 Гц. Энергия не может быть произведена в случае сбоя питания энергетической компании. Этот тип генератора переменного тока не подходит в качестве резервного источника питания.В качестве генератора ветряной турбины вспомогательной мощности он имеет то преимущество, что не требует автоматического выключателя отключения питания для защиты ремонтных бригад. Это отказоустойчиво.

Небольшие удаленные (от электросети) установки можно сделать самовозбуждающимися путем размещения конденсаторов параллельно фазам статора. Если нагрузка удалена, остаточный магнетизм может генерировать небольшой ток. Этот ток может протекать через конденсаторы без рассеивания мощности. Когда генератор разгоняется до полной скорости, ток увеличивается, чтобы обеспечить ток намагничивания статора.В этот момент можно приложить нагрузку. Регулировка напряжения плохая. Асинхронный двигатель можно преобразовать в генератор с самовозбуждением путем добавления конденсаторов.

Процедура запуска заключается в разгоне ветряной турбины до скорости в моторном режиме путем подачи на статор нормального сетевого напряжения. Любая скорость турбины, вызванная ветром, превышающая синхронную скорость, будет развивать отрицательный крутящий момент, возвращая мощность обратно в линию электропередачи, изменяя нормальное направление электрического счетчика киловатт-часов.В то время как асинхронный двигатель имеет отстающий коэффициент мощности от линии электропередачи, асинхронный генератор переменного тока имеет опережающий коэффициент мощности. Асинхронные генераторы не нашли широкого применения в обычных электростанциях. Скорость привода паровой турбины постоянна и регулируется в соответствии с требованиями синхронных генераторов переменного тока. Синхронные генераторы также более эффективны.

Скорость ветряной турбины трудно контролировать, и она зависит от порывов ветра. Индукционный генератор лучше справляется с этими изменениями из-за присущего ему проскальзывания.Это нагружает зубчатую передачу и механические компоненты меньше, чем синхронный генератор. Однако это допустимое изменение скорости составляет всего около 1%. Таким образом, асинхронный генератор с прямым подключением к сети считается ветровой турбиной с фиксированной скоростью (см. «Асинхронный генератор с двойным питанием» для истинного генератора переменного тока с переменной скоростью). Несколько генераторов или несколько обмоток на общем валу можно переключать, чтобы обеспечить высокую и низкую скорость, чтобы приспособиться к переменным ветровым условиям.

 

Асинхронные двигатели с несколькими полями

Асинхронные двигатели могут содержать несколько обмоток возбуждения, например, 4-полюсную и 8-полюсную обмотки, соответствующие синхронным скоростям 1800 и 900 об/мин.Активация того или иного поля менее сложна, чем перемонтаж катушек статора.

 

Рисунок 5.16 Несколько полей позволяют изменить скорость

 

Если поле сегментировано с выведенными выводами, его можно перемонтировать (или переключить) с 4-полюсного на 2-полюсное, как показано выше для 2-фазного двигателя. Сегменты 22,5° можно переключать на сегменты 45°. Для ясности выше показано подключение только одной фазы. Таким образом, наш асинхронный двигатель может работать на нескольких скоростях. При переключении вышеупомянутого двигателя частотой 60 Гц с 4 полюсов на 2 полюса синхронная скорость увеличивается с 1800 об/мин до 3600 об/мин.

 

В:  Если двигатель работает на частоте 50 Гц, каковы будут соответствующие 4-полюсные и 2-полюсные синхронные скорости?

А:

[латекс]N_s = \frac{120f}{P}[/латекс]  [латекс]N_s = \frac{120*50 Гц}{4}[/латекс]  [латекс] = 1500 об/мин (4-полюсный)[ /латекс]

[латекс]N_s = \frac{120f}{P}[/латекс]  [латекс]N_s = \frac{120*50 Гц}{2}[/латекс][латекс]= 3000 об/мин (2-полюсный)[ /латекс]

 

Асинхронные двигатели с переменным напряжением

Скорость небольших асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором для таких приложений, как привод вентиляторов, может быть изменена путем снижения сетевого напряжения.Это уменьшает крутящий момент, доступный для нагрузки, что снижает скорость (см. рисунок ниже).

Рисунок 5.17 Переменное напряжение управляет скоростью асинхронного двигателя

Электронное управление скоростью в асинхронных двигателях

Современная полупроводниковая электроника расширяет возможности управления скоростью. Изменяя частоту сети 50 или 60 Гц на более высокие или более низкие значения, можно изменить синхронную скорость двигателя. Однако уменьшение частоты тока, подаваемого на двигатель, также уменьшает реактивное сопротивление X L  , что увеличивает ток статора.Это может привести к насыщению магнитной цепи статора с катастрофическими последствиями. На практике напряжение на двигателе необходимо уменьшать при снижении частоты.

 

Рисунок 5.18 Электронный преобразователь частоты

 

И наоборот, частота привода может быть увеличена для увеличения синхронной скорости двигателя. Однако напряжение необходимо увеличить, чтобы преодолеть увеличивающееся реактивное сопротивление, чтобы поддерживать ток на нормальном уровне и поддерживать крутящий момент. Инвертор приближает синусоидальные волны к двигателю с выходами широтно-импульсной модуляции.Это обрезанная форма волны, которая либо включена, либо выключена, имеет высокий или низкий уровень, процент времени «включения» соответствует мгновенному напряжению синусоидальной волны.

После применения электроники для управления асинхронным двигателем становится доступным множество методов управления, от простых до сложных:

  • Скалярное управление:  Описанный выше недорогой метод управления только напряжением и частотой без обратной связи.
  • Векторное управление:  Также известно как векторное фазовое управление.Компоненты тока статора, создающие поток и крутящий момент, измеряются или оцениваются в режиме реального времени, чтобы улучшить кривую скорости вращения двигателя. Это требует интенсивных вычислений.
  • Прямое управление крутящим моментом:  Продуманная адаптивная модель двигателя обеспечивает более прямое управление потоком и крутящим моментом без обратной связи. Этот метод быстро реагирует на изменение нагрузки.

 

  • Многофазный асинхронный двигатель состоит из многофазной обмотки, встроенной в многослойный статор, и проводящей короткозамкнутой клетки, встроенной в многослойный ротор.
  • Трехфазные токи, протекающие внутри статора, создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток и, как следствие, магнитное поле в роторе. Крутящий момент ротора развивается, когда ротор немного проскальзывает за вращающимся полем статора.
  • В отличие от однофазных двигателей, многофазные асинхронные двигатели запускаются автоматически.
  • Пускатели двигателей минимизируют нагрузку на линию электропередачи, обеспечивая при этом больший пусковой момент, чем требуется во время работы.Редукторы линейного тока Пускатели  требуются только для больших двигателей.
  • Трехфазные двигатели будут работать на одной фазе, если они запущены.
  • Статический фазовый преобразователь  – это трехфазный двигатель, работающий от одной фазы без нагрузки на валу и создающий трехфазный выходной сигнал.
  • Несколько обмоток возбуждения  можно перемонтировать для нескольких дискретных скоростей двигателя путем изменения количества полюсов.

 

Трехфазный двигатель может работать от однофазного источника питания.Однако он не запустится самостоятельно. Его можно запускать вручную в любом направлении, набирая скорость за несколько секунд. Он будет развивать только 2/3 номинальной мощности 3-φ, потому что одна обмотка не используется.

Рисунок 5.19  3-φ двигатель работает от 1-φ мощности, но не запускается

Одна катушка однофазного двигателя

Одиночная катушка однофазного асинхронного двигателя создает не вращающееся магнитное поле, а пульсирующее поле, достигающее максимальной интенсивности при 0° и 180° электрического поля.

Рисунок 5.20 Однофазный статор создает невращающееся пульсирующее магнитное поле

 

Другая точка зрения состоит в том, что одиночная катушка, возбуждаемая однофазным током, создает два вектора магнитного поля, вращающиеся в противоположных направлениях, дважды совпадающие за оборот при 0° (рис. выше-а) и 180° (рис. д). Когда вектора поворачиваются на 90° и -90°, они компенсируются на рисунке c. При углах 45° и -45° (рисунок b) они частично складываются по оси +x и компенсируются по оси y. Аналогичная ситуация существует на рисунке d.Сумма этих двух векторов представляет собой вектор, стационарный в пространстве, но меняющий полярность во времени. Таким образом, пусковой момент не развивается.

Однако, если ротор вращается вперед со скоростью, немного меньшей синхронной скорости, он будет развивать максимальный крутящий момент при 10% скольжении по отношению к вектору прямого вращения. Меньший крутящий момент будет развиваться выше или ниже 10% скольжения. Ротор будет иметь проскальзывание 200–10 % относительно вектора магнитного поля, вращающегося в противоположных направлениях. Небольшой крутящий момент (см. кривую крутящего момента в зависимости от скольжения), кроме двухчастотной пульсации, возникает из-за вращения вектора в противоположных направлениях.Таким образом, однофазная катушка будет развивать крутящий момент после запуска ротора. Если ротор запустить в обратном направлении, он будет развивать такой же большой крутящий момент, когда он приближается к скорости обратного вращения вектора.

Однофазные асинхронные двигатели имеют медную или алюминиевую короткозамкнутую клетку, встроенную в цилиндр из стальных пластин, типичный для многофазных асинхронных двигателей.

Электродвигатель с постоянным разделением конденсаторов

Одним из способов решения проблемы однофазного двигателя является создание двухфазного двигателя, получающего двухфазное питание от однофазного.Для этого требуется двигатель с двумя обмотками, разнесенными на 90 ° , питаемый двумя фазами тока, смещенными во времени на 90 ° . Это называется двигателем с постоянно разделенным конденсатором.

Рисунок 5.21 Асинхронный двигатель с постоянным конденсатором

Асинхронный двигатель с постоянным конденсатором

В двигателе этого типа наблюдается повышенная величина тока и сдвиг времени назад по мере того, как двигатель достигает скорости, с пульсациями крутящего момента на полной скорости. Решение состоит в том, чтобы конденсатор (сопротивление) был небольшим, чтобы минимизировать потери.Потери меньше, чем для двигателя с расщепленными полюсами. Эта конфигурация двигателя хорошо работает до 1/4 лошадиных сил (200 Вт), хотя обычно применяется к двигателям меньшего размера. Направление двигателя легко изменить, включив конденсатор последовательно с другой обмоткой. Этот тип двигателя может быть адаптирован для использования в качестве серводвигателя, описанного в другом месте этой главы.

Рисунок 5.22. Однофазный асинхронный двигатель со встроенными катушками статора

. Однофазные асинхронные двигатели могут иметь катушки, встроенные в статор для двигателей большего размера.Тем не менее, меньшие размеры используют менее сложные для создания сосредоточенных обмоток с выступающими полюсами.

Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором

На приведенном ниже рисунке для запуска однофазного асинхронного двигателя через вспомогательную обмотку можно использовать конденсатор большей емкости, если он отключается центробежным выключателем, как только двигатель набирает скорость. Кроме того, вспомогательная обмотка может состоять из гораздо большего количества витков более толстого провода, чем используется в двигателе с расщепленной фазой сопротивления, чтобы смягчить чрезмерное повышение температуры.В результате для тяжелых нагрузок, таких как компрессоры кондиционера, доступен больший пусковой крутящий момент. Эта конфигурация двигателя работает настолько хорошо, что доступна в размерах с несколькими лошадиными силами (несколько киловатт).

Рисунок 5.23 Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором

 

Асинхронный двигатель с конденсаторным двигателем

Вариант двигателя с конденсаторным пуском (рисунок ниже) заключается в запуске двигателя с относительно большим конденсатором для обеспечения высокого пускового момента, но с сохранением конденсатора меньшей емкости после пуска для улучшения рабочих характеристик без чрезмерного потребления тока.Дополнительная сложность двигателя с конденсаторным приводом оправдана для двигателей большего размера.

Рисунок 5.24 Асинхронный двигатель с конденсаторным двигателем

 

Пусковой конденсатор двигателя может быть двуханодным неполярным электролитическим конденсатором, который может представлять собой два последовательно соединенных полярных электролитических конденсатора + к + (или – к –). Такие электролитические конденсаторы, рассчитанные на переменный ток, имеют настолько высокие потери, что их можно использовать только в повторно-кратковременном режиме (1 секунда включена, 60 секунд выключена), например при запуске двигателя. Конденсатор для работы двигателя должен быть не электролитического, а полимерного типа с меньшими потерями.

Асинхронный двигатель с расщепленной фазой сопротивления

Если во вспомогательной обмотке намного меньше витков, провод меньшего сечения расположен под углом 90 ° к основной обмотке, он может запустить однофазный асинхронный двигатель. При более низкой индуктивности и более высоком сопротивлении ток будет испытывать меньший фазовый сдвиг, чем основная обмотка. Можно получить около 30 ° разности фаз. Эта катушка создает умеренный пусковой момент, который отключается центробежным выключателем на 3/4 синхронной скорости.Эта простая схема (без конденсатора) хорошо подходит для двигателей мощностью до 1/3 лошадиных сил (250 Вт), приводящих в движение легко запускаемые нагрузки.

Рисунок 5.25 Асинхронный двигатель с расщепленной фазой сопротивления

 

Этот двигатель имеет больший пусковой момент, чем двигатель с расщепленными полюсами (следующий раздел), но не такой большой, как двухфазный двигатель, собранный из тех же деталей. Плотность тока во вспомогательной обмотке во время пуска настолько высока, что последующее быстрое повышение температуры исключает частые повторные пуски или медленные пусковые нагрузки.

Корректор коэффициента мощности Nola

Фрэнк Нола из НАСА в середине 1970-х годов предложил корректор коэффициента мощности для повышения эффективности асинхронных двигателей переменного тока. Он основан на предположении, что асинхронные двигатели неэффективны при меньшей нагрузке, чем полная. Эта неэффективность коррелирует с низким коэффициентом мощности. Коэффициент мощности меньше единицы из-за тока намагничивания, необходимого статору. Этот фиксированный ток составляет большую долю от общего тока двигателя по мере уменьшения нагрузки двигателя.При малой нагрузке полный ток намагничивания не требуется. Его можно уменьшить, уменьшив приложенное напряжение, улучшив коэффициент мощности и эффективность. Корректор коэффициента мощности определяет коэффициент мощности и снижает напряжение двигателя, тем самым восстанавливая более высокий коэффициент мощности и уменьшая потери.

Поскольку однофазные двигатели примерно в 2–4 раза менее эффективны, чем трехфазные двигатели, для двигателей 1-φ существует потенциальная экономия энергии. Для полностью нагруженного двигателя нет экономии, поскольку требуется весь ток намагничивания статора.Напряжение не может быть снижено. Но есть потенциальная экономия от менее чем полностью загруженного двигателя. Двигатель с номинальным напряжением 117 В переменного тока рассчитан на работу при напряжении от 127 до 104 В переменного тока. Это означает, что он не полностью загружен при работе от напряжения выше 104 В переменного тока, например, холодильник на 117 В переменного тока. Для регулятора коэффициента мощности безопасно снизить напряжение сети до 104–110 В переменного тока. Чем выше начальное линейное напряжение, тем больше возможная экономия. Конечно, если энергетическая компания поставляет напряжение ближе к 110 В переменного тока, двигатель будет работать более эффективно без каких-либо дополнительных устройств.

Любой однофазный асинхронный двигатель, практически не работающий, с 25% FLC или менее, является кандидатом на PFC. Тем не менее, он должен работать большое количество часов в год. И чем больше времени он простаивает, как в лесопильном станке, пробивном прессе или конвейере, тем больше вероятность того, что контроллер окупится за несколько лет эксплуатации. Платить за него должно быть втрое легче, чем за более эффективный 3-φ-двигатель. Стоимость PFC не может быть возмещена для двигателя, работающего всего несколько часов в день.

Краткое описание: Однофазные асинхронные двигатели

  • Однофазные асинхронные двигатели не запускаются самостоятельно без вспомогательной обмотки статора, приводимой в действие противофазным током около 90 ° . После запуска вспомогательная обмотка не является обязательной.
  • Вспомогательная обмотка двигателя с постоянным разъемом конденсатора имеет последовательно включенный конденсатор во время запуска и работы.
  • Асинхронный двигатель с конденсаторным пуском имеет только конденсатор, включенный последовательно с вспомогательной обмоткой во время пуска.
  • Двигатель с конденсатором обычно имеет большой неполяризованный электролитический конденсатор, включенный последовательно со вспомогательной обмоткой для запуска, а затем меньший неэлектролитический конденсатор во время работы.
  • Вспомогательная обмотка резистивного двигателя с расщепленной фазой создает разность фаз по сравнению с основной обмоткой во время пуска из-за разности сопротивлений.

Motor Efficiency – обзор

Показатели эффективности

В идеале управление энергопотреблением является наиболее рентабельным эффективным использованием энергии.Таким образом, эффективность является важным понятием для энергоменеджера. Эффективность можно рассматривать с точки зрения первого или второго начала термодинамики. Первый закон эффективности относится к преобразованию энергии из одной формы в другую и сохранению общего количества энергии без прямого учета качества энергии. При оценке общего использования топлива или форм энергии применяются соображения второго закона , поскольку они учитывают качество энергии и помогают определить верхние границы эффективности.Эффективность по второму закону выражается через количество, известное как доступная работа .

В своей самой простой форме эффективность по первому закону конкретной задачи можно рассматривать как отношение полезной энергии, выделенной для задачи, к требуемой подводимой энергии. Однако есть много задач, для которых это базовое определение неадекватно или не подходит. Таким образом, возникли как минимум две другие широкие категории энергоэффективности. Здесь они упоминаются как «коэффициенты эффективности» (COP) или коэффициенты эффективности использования энергии (EUPF).

Пример : КПД электродвигателя. Каков КПД по первому закону однофазного электродвигателя мощностью 1 л.с. при 240 В, токе полной нагрузки 4,88 А и коэффициенте мощности 80 %? См. ответ в уравнении 7.1. Обратите внимание, что мы используем энергию в единицу времени в этом уравнении и в уравнениях с 7.2 по 7.4 ниже.

[7.1]η=Полезная подведенная энергия(в данном случае «работа»)Потребляемая энергия=л.с.×LF(#фазы)(В)(A)(pf)η=(1л.с.)(0,746кВт/л.с.)(1,0)(1) (240 В) (4.88A) (0,8) (10-3KW / W) η = 0,796 = 80%

, где

, где

η = Эффективность, безразмерная (или%)

HP = мотор лошадиные силы, HP

LF = фактор нагрузки, безразмерные

# фазы = количество моторных фаз, безразмерных

V = номинальное напряжение, V

A = ток при полной нагрузке, А

pf  =  коэффициент мощности, безразмерный

Этот расчет показывает КПД 80%.Это верно для заявленных условий (т.е. для полной нагрузки и при коэффициенте мощности 80%). При работе с другими коэффициентами мощности или при нагрузке ниже полной КПД меньше. Коэффициент мощности остается довольно постоянным при номинальном значении полной нагрузки до тех пор, пока нагрузка не упадет ниже 50–60%. Когда нагрузка падает примерно до одной трети полной нагрузки, коэффициент мощности может упасть до 20–30%.

Таблицы 7.1a и 7.1b показывают типовой КПД электродвигателя при полной нагрузке для двигателей премиум-класса. Обратите внимание, что стандарты NEMA и стандарты ЕС во многих случаях идентичны.Если сравнить эти данные с КПД двигателя в первом издании этой книги, КПД повысился с 76–85,5% (1,0 л.с.) до 91–95,4% (100 л.с.).

Таблица 7.1А. Номинальная Полная эффективность нагрузки: NEMA Premium Высокоэффективность электродвигателей

95,0 950317
Открытую рамку ОТКРЫТОВ 2 POLE 2 POLE 4 POLE 2 POLE 2 POLE 4 POLE 4 6 ПОЛЮСОВ
1 77.0 85,5 82,5 77,0 85,5 82,5
3 85,5 89,5 88,5 86,5 89,5 89,5
5 86,5 89,5 89.5 88.59.0329 89.0329 89.59 89,5 89.59
10 89,5 89,5 91.7 91.7 91.7 90.2 91.7 91.0
30 91,7 94,1 93,6 91,7 93,6 93,0
50 93,0 94,5 94,1 93,0 94,5 94,1
100 93.6 954 95.4 95,0 94.1 95,4 95,4 95.0 95,0
300326 95.4 95.8 95.4 959 95 9599

96,2 95,8

Источник: NEMA MG-1 (2006), Таблица 12–12.

Таблица 7.1Б. Европейский союз IE3 Premium Motor Efficiency (3-фазные клетки в зависимости от асинхронизации)

кВт 2 полюс 50 Гц / 60 Гц 4 POLE 50 Гц / 60 Гц 6 полюс 50 Гц / 60 Гц
0,75 80,7/77,0 82,5/85,5 78,9/82,5
2,2 8039 / 86,5 86,7 / 89,5 84,3 / 89,5
7,5 90,1 / 90,2 90,4 / 91,7 89,1 / 91,0
22 92,7 / 91,7 93,0 / 93,6 92,2 / 93,0
37 93,7 / 93,0 93,9 / 94,5 93,3 / 94,1
75 94,7 / 94,1 95,0 / 95,4 94,6 / 95,0
220 95,8/95.8 96,0/96,2 95,8/95,8

Источник: IEC 60034-30 (2009).

Как упоминалось выше, наилучшая эффективность достигается при полной или почти полной нагрузке. Когда нагрузка на двигатель падает с полной до менее 50%, КПД двигателя начинает падать, падая до 40–80%, когда нагрузка составляет всего 10–15%. Падение больше для небольших двигателей.

Это первое, что мы хотели бы подчеркнуть в этой главе: Эффективность обычно зависит от нагрузки .Термин «нагрузка», используемый здесь, может означать множество вещей: температуру, давление, усилие, работу и т. д.

Пример: Электрический нагреватель сопротивления. Нагреватель рассчитан на 240 В и 4,167 А и обеспечивает 3412 БТЕ в час тепла. Какова его эффективность? Примите коэффициент нагрузки 100% и коэффициент мощности 100%.

[7.2]η=полезная отпущенная энергия (в данном случае «тепло»), потребляемая энергия=Q˙×LF(В)(A)(pf)η=(3412 БТЕ/ч)(0,29307 втч/БТЕ)(1,0)(240 В)( 4.167A)(1.0)η=1.0=100%

где

Q˙=тепло, подаваемое в единицу времени, БТЕ/ч (или Вт)

то есть электричество — подается в нагрузку в виде тепла.Очевидно, мы пренебрегли потерями, возникающими в процессе преобразования топлива в электроэнергию, и любыми потерями, связанными с доставкой тепла в нагрузку (такими как потери на излучение, потери на вентиляцию или дымовую трубу и т. д.).

Это приводит ко второму пункту: Эффективность определяется только в пределах определенных системных границ .

Пример: Электрическая лампа накаливания. Лампа рассчитана на 100 Вт и 120 В. Это означает, что входная мощность составляет 100 Вт при полной нагрузке, то есть без диммирования.Световой поток 1500 лм. Коэффициент преобразования люменов в ватты составляет 1,496×10 -3 ватт/люмен. Это дает следующий КПД лампы накаливания:

[7.3]η=Полезная отданная энергия (в данном случае «свет») Потребляемая энергия=лм×LFE˙inη=(1500лм)(1,496×10-3Вт/лм)(1,0) (100 Вт)η=0,0224=2,24%

где

лм = люмен, лм мера эффективности, так как связь входной энергии с доставленным светом не ясна.Обычно используемой мерой является отношение светового потока в люменах к подводимой мощности в ваттах, называемое эффективностью :

[7.4]Эффективность = 1500 лм 100 Вт = 15 лм/Вт

Эффективность является примером эффективности использования энергии. фактор; то есть фактор, который измеряет, как энергия используется для достижения конкретной цели производительности.

Пример: Оконный кондиционер. Это устройство использует входную мощность 1000 Вт для охлаждения 10 200 БТЕ/ч. Кондиционеры используют входную энергию (работу) для передачи тепла из области с более низкой температурой (внутреннее пространство) в область с более высокой температурой (на открытом воздухе), тем самым охлаждая внутреннее пространство.Тепловые насосы в режиме охлаждения работают так же, как кондиционеры, но в режиме обогрева работают наоборот. При обогреве тепловые насосы используют работу для передачи тепла от более низкой температуры снаружи к более высокотемпературному внутреннему пространству.

Вместо использования символа η , который обычно зарезервирован для эффективности в диапазоне от 0 до 1,0, один из подходов, принятых для представления эффективности кондиционеров воздуха и тепловых насосов, заключается в определении коэффициента полезного действия (COP), определяемого как:

[7.5]COP=достигнутая производительность(т.е. количество выделенного тепла или охлаждения)Потребляемая энергия(электроэнергияin)=Q˙E˙inCOP=(10,200Btu/h)(0,29307Wh/Btu)(1000W)COP=2,99

Коэффициенты производительности всегда больше единицы для тепловых насосов и может быть как больше, так и меньше единицы для кондиционеров.

Другим подходом к измерению эффективности кондиционирования воздуха (или производительности тепловых насосов в режиме охлаждения) является коэффициент энергоэффективности (EER), аналогичный COP, но не безразмерный:

[7.6]EER=Количество поставленной охлаждающей энергии(электроэнергии)EER=(10 200 БТЕ/ч)(1000 Вт)EER=10,2 БТЕ/Втч=(COP)(3,412 БТЕ/Втч)

Еще одним показателем эффективности охлаждения кондиционеров или тепловых насосов является коэффициент сезонной энергоэффективности (SEER), который представляет собой отношение общего количества тепла, отведенного в течение сезона охлаждения (БТЕ), к общей электроэнергии, использованной в течение сезона охлаждения (Втч).

Кроме того, коэффициент сезонной эффективности отопления (HSPF) является мерой производительности теплового насоса в режиме обогрева.Это отношение общего количества тепла, необходимого в течение отопительного сезона (БТЕ), к общему количеству электроэнергии, используемой в течение отопительного сезона (Втч).

Вот вам и первый закон эффективности. Как видно из приведенных выше примеров, эффективность (как обычно используется) относится только к соотношению работы или тепловыделения по сравнению с подводимой энергией. Эта мера отражает количества задействованной энергии, но ничего не говорит о качестве .

Качество формы энергии является мерой ее способности выполнять полезную работу.Например, теплота сгорания галлона нефти составляет примерно 148 МДж (140 000 БТЕ). Это примерно такое же содержание энергии, как 1000 галлонов теплой воды, нагретой на 9°C (17°F) выше температуры окружающей среды. Хотя количество энергии одинаково в обоих случаях, способность масла совершать полезную работу гораздо больше, чем способность тепловатой воды. Качество масла гораздо выше.

Доступность (также называемая доступная работа или эксергия ) — это метрика, используемая для количественной оценки качества энергии.Он представляет собой максимальный объем доступной работы системы относительно эталонного состояния. Он также определяется как минимальная работа, необходимая для перевода системы из эталонного состояния в состояние с повышенными правами. Для системы с контрольной массой (например, поршень и цилиндр) доступность обозначается как доступность без потока и может быть выражена следующим образом: ) -T0 (S-S0) + MV22 + MGZ

, где:

, где:

B см = неточный доступность, J

U = внутренняя энергия, J

P = давление, PA

V = Volume, M 3

T = Температура, K

S = энтропия, J / K

mv22 = кинетическая энергия, где m — масса (кг) и v — скорость (м/с), Дж ) силы тяжести и z высота (м), J

и нижний индекс 0 относится к эталонному состоянию

Для системы контрольного объема (например,г., турбина), доступность называется наличие потока и может быть выражена следующим образом:

[7.8]Bcv=(H−H0)−T0(S−S0)+mv22+mgz

где:

B cv  = наличие потока, Дж

H   = энтальпия, Дж

90

Для данной энергии, объема и состава системы B уменьшается по мере увеличения энтропии системы; B также уменьшается по мере приближения внутренней энергии или энтальпии системы к эталонному состоянию.(Обратите внимание, что во многих энергетических системах терминами кинетической и потенциальной энергии можно пренебречь). в атмосфере. Поскольку минимум также является полезной работой обратимого процесса, B также представляет собой максимальную полезную работу, которую можно получить при окислении топлива и возврате продуктов в атмосферу.

В относительном смысле качество (наличие) электроэнергии и топлива, такого как нефть, уголь и газ, достаточно высокое.Точно так же высокая доступность пара высокого давления и высокой температуры. И наоборот, горячая вода, низкотемпературное технологическое тепло или пар низкого давления имеют относительно низкую доступность.

Мера термодинамической эффективности (или КПД по второму закону) использования энергии в процессе может быть определена как отношение прироста доступной работы, достигнутой продуктами в процессе, к максимально доступной полезной работе потребляемого топлива . Другой способ определить это как отношение теоретического минимума доступной работы для выполнения задачи к фактической полезной работе, необходимой для выполнения задачи.Мы можем думать об этом как о доступности , восстановленной , разделенной на доступность , предоставленной . Разница между тем, что поставляется, и тем, что восстанавливается, теряется или уничтожается доступность. Таким образом, концепция доступности обеспечивает полезную меру эффективности, которая выходит за пределы ограничений эффективности первого закона. Кроме того, анализ доступности помогает точно определить этапы процесса или области, в которых возможно повышение эффективности.

Пример: Паровой котел.Разницу между популярными понятиями КПД и понятием КПД иллюстрирует работа парового котла. Приемлемым считается котел с КПД около 90%. То есть только 10% подводимой энергии рассеивается в дымовых газах или за счет теплопередачи. С точки зрения первого закона, мы можем быть удовлетворены эффективностью 90% и считать, что делаем все возможное по существующим технологическим стандартам. Тем не менее, это упускает из виду вопрос о том, использовали ли мы топливо с максимальной отдачей.На основе термодинамической доступности этот «эффективный» работающий котел имеет КПД всего 40–45%, что указывает на то, что некоторая работа теряется без необходимости при производстве пара. Для более полного обсуждения потерь в котлах см. главу 11 «Управление технологической энергией».

Теперь мы повторим анализ, выполненный в уравнениях 7.1, 7.2 и 7.5, на этот раз рассчитывая эффективность, а не эффективность. В Таблице 7.2 приведены показатели эффективности по первому и второму закону для обычных процессов с использованием энергии.Читатель должен обратиться к литературе для более подробного обсуждения имеющихся работ.

Таблица 7.2. Устройства первого закона и второго закона для одного источника, одно- выпуска устройства

90

6 E

Source
E в в Топливо: тепло сгорания | δ h | доступная работа B Тепло E 1 из горячего резервуара на T 1
Конечное использование
3,3 8179
2. 3.
Работа η=Eвых/Eвх η=Eвых/|ΔH| η = EOUT / E1 ∈ = η ∈ = eoutb (≃η) ∈ = η1- (t0 / t1)
например, электродвигатель) (например, электростанция) (например, геотермальная электростанция)
Тепло E 2 добавлено в теплый резервуар на T

4

4

3

5. 6.
η(COP)=E2/E1∈=η1−(T0/T2)1−(T0/T1)
(например, тепловой насос с электрическим приводом) (например, тепловой насос с приводом от двигателя) (например, , Печь)
The Heat E 3 , извлеченные из прохладной резервуаров на T 3 3 7. 8. 9.
η (COP) = E3 / EIN∈ =η(T0T3−1) η(COP)=E3/|ΔH|∈=E3B(T0T3−1) η(COP)=E3/E1∈=η(T0/T3)−11−(T0 /T1)
(т.например, электрический холодильник) (например, газовый кондиционер) (например, абсорбционный холодильник)

Для электродвигателя. Мы исходим из того, что эффективность определяется источником электроэнергии и не включает производство и поставку электроэнергии. В этом случае

[7.9]ϵ=Эффективность=Поставленная работаЭнергияin,Ein=η=80%

Это тот же результат, что и раньше. Если бы вместо этого мы определили знаменатель как максимально доступную энергию в первичном топливе, используемом для производства электроэнергии, эффективность была бы ниже из-за потерь при производстве, передаче и распределении.

Для нагревателя сопротивления. Предположим, что обогреватель подает теплый воздух с температурой 43 °C (316 K) в дом, где температура наружного воздуха составляет 0 °C (273 K). Доступная полезная переданная работа определяется как:

[7.10]W˙rev=Q˙(1–T0T2)

, где:

W˙rev = теоретическая максимальная доступная работа тепловой машины, работающей между двумя Передача резервуаров в обратимый цикл, W

Q˙ = тепловая мощность нагревателя, 3412 BTU / H или 1000 W

T 0 = температура радиатора, 0 ° C или 273 K

T 2  =  температура теплого резервуара, 43°C или 316 K

Максимально возможная работа, которую полезно передать для той же функции с использованием той же подводимой энергии, составляет 240 В×4.167 А = 1000 Вт, опять же при условии, что эффективность определяется источником электроэнергии и не включает производство электроэнергии. Таким образом, эффективность составляет: что потеря доступной работы является результатом использования высокотемпературной формы энергии премиум-класса (электричества) для производства низкотемпературного тепла. Эффективность была бы намного выше (около ϵ=68%), если бы T 2 были ближе к 600°C.Эффективность также была бы выше, если бы это был тепловой насос, а не нагреватель сопротивления. В этом случае ϵ будет равно (1– T 0 / T 2 ), умноженному на COP, который обычно составляет порядка 3,0.

Для кондиционера. Кондиционер имеет фактический КПД 2,99. В типичных погодных условиях жаркого летнего дня его эффективность определяется по формуле: 1)=20.4%

, где:

T T 0 = Температура радиатора, 40 ° C или 313 K

T 3 = холодный резервуар температуры, 20 ° C или 293 K

Это указывает на то, что второй закон эффективности кондиционера низок, когда температура наружного воздуха близка к температуре кондиционируемого помещения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.