Электрический двигатель или электромеханический преобразователь – это машина вращательного типа, преобразующая электрическую энергию в механическую. Образование и выделение тепла – побочный эффект работы электродвигателя.
Вращающий момент в электродвигателе может создаваться при перемагничивании ротора вследствие гистерезиса, либо при взаимодействии магнитных полей статора и ротора, возникающих в них при подаче тока. Электродвигатели первой группы называют гистерезисными, применяют очень редко. Основная масса двигателей, используемых в промышленности, относится к группе магнитоэлектрических.
Оба двигателя переменного и постоянного тока используются как на автомобильных, так и внедорожных транспортных средствах. Но сделать электромоторы и электромобили жизнеспособной альтернативой, это потребует значительных успехов в технологии батарей. Нынешний способ хранения энергии для езды на электромобилях слишком сильно увеличивает их вес, а отношение веса / мощности слишком велико. Существуют также проблемы с медленной перезарядкой и экологическим удалением.
Анализ жизненного цикла, опубликованный Союзом ассоциированных ученых, показывает, что около 135% производства электромобиля производит на 15% больше выбросов, чем обычный автомобиль. Эта разница может быть сбалансирована в течение одного года, и за весь жизненный цикл, включая производство, будет создан электрический автомобиль на половину менее загрязняющих веществ. Что касается принятых конвенций, таких как Парижское климатическое соглашение, и усилий по продвижению к так называемым компаниям, нейтральным с точки зрения выбросов углерода, в ближайшие годы мы, вероятно, будем чаще видеть электромобили на дорогах.
В зависимости от типа потребляемой энергии магнитоэлектрические двигатели подразделяются на двигатели постоянного и переменного тока. Существует также немногочисленная группа универсальных двигателей, которые питаются обоими видами тока.
Двигатели постоянного токаПо наличию щёточно-коллекторного узла двигатели постоянного тока делят на коллекторные и бесколлекторные. Щёточно-коллекторный узел предусмотрен для электрического соединения цепей статора и ротора. Этот узел электродвигателя является наиболее уязвимым, сложным в ремонте и обслуживании.
Однако для достижения оптимальной эффективности требуется больше технологий, как и многие другие. Если гибридные инновации в конструкциях двигателей внутреннего сгорания не улучшают параметры поршневого двигателя и не гарантируют его следующего подъема, это, по крайней мере, улучшит кривую снижения урожайности и продлит срок службы двигателей внутреннего сгорания - по крайней мере, пока.
Это очень ценно, так что сокращение связано не только с затратами на пользователей двигателей, но и с правительствами многих стран. В Европейском Союзе потребность в энергоэффективных двигателях переменного тока была санкционирована соответствующими нормами, которые требуют от производителей продавать свою продукцию здесь для поддержания своей энергоэффективности.
Внутри группы коллекторных двигателей существует деление на двигатели с самовозбуждением и независимым возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов.
В зависимости от особенностей взаимного подключения обмоток якоря и возбуждения внутри группы двигателей с самовозбуждением различают двигатели параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
В этой статье мы приводим описание существенных законодательных изменений, возможных последствий для рынка и обсуждаем, как новые двигатели отличаются от используемых до сих пор. Стоимость электроэнергии составляет около 90% от общей стоимости покупки и использования электродвигателей в промышленности. По этой причине энергоэффективность этих машин технически и экономически оправдана. Хотя потенциальные преимущества использования версий с более высокой эффективностью можно легко вычислить, выполняя простые математические вычисления, такие изменения могут также усложнять ситуацию.
Бесколлекторные или вентильные двигатели работают по тому же прицепу, что и синхронные двигатели постоянного тока. Представляют собой замкнутые системы, включающие силовой полупроводниковый преобразователь, преобразователь координат, датчик положения ротора.
Электродвигатели переменного токаДвигатели переменного тока питаются от сетей переменного тока и подразделяются на синхронные и асинхронные.
В свою очередь, для производителей двигателей производство более энергоэффективных версий означает еще большие проблемы для используемых материалов и конструкции самих двигателей. Но хочет ли он этого или нет - правила, требующие изменений и продажи энергоэффективных двигателей на рынке ЕС, только начинаются. Прежде чем мы обсудим их подробно, давайте начнем с того, чтобы показать, как двигатели классифицируются с точки зрения их эффективности, поскольку это является основой для новых изменений.
Эффективность электродвигателей не нова для промышленного сектора. Что касается требований к энергоэффективности, был разработан ряд классификаций, чтобы сравнить производительность двигателей от разных производителей. В случае асинхронных двигателей переменного тока.
В синхронных электродвигателях скорости вращения ротора и движения первой гармоники магнитодвижущей силы статора совпадают. Этот тип двигателей применяется при высоких мощностях.
К группе синхронных двигателей относят вентильные реактивные и шаговые электродвигатели . Питание обмоток вентильных реактивных двигателей формируется с помощью полупроводниковых элементов. Отличительная особенность шаговых электродвигателей – дискретное (шаговое) угловое перемещение ротора при работе. Последовательное перемещение ротора происходит при переключении напряжения питания с одних обмоток на другие.
Эта классификация была добровольной и основывалась на соглашении производителей электродвигателей. Хотя эта система была принята во многих странах, она не была достаточно однородной с точки зрения Определение уровня эффективности двигателя. Это может привести к ошибкам при сравнении моделей разных производителей. По этим причинам он был недавно заменен одним стандартом, разработанным Международной электротехнической комиссией.
Первый из цитируемых стандартов фокусируется на индуктивных клетках с вращающимися 2, 4 - и 6-полюсными переменными токами с постоянной скоростью и мощностью от 0, 75 до 375 кВт. Определены три класса эффективности. Требования к эффективности двигателя не указаны. . Каковы практические занятия для этих инженеров? Как правило, требуемые уровни производительности приведены в виде таблиц для конкретных движков. Это минимальные уровни, и их легко определить, выбирая двигатель из диапазона мощности, соответствует ли ваша модель требованиям, изложенным в стандарте.
Наибольшее распространение в современной промышленности получили асинхронные электродвигатели . Частоты вращающего магнитного поля, создаваемого напряжением питания и вращения ротора в двигателях асинхронного типа всегда разнятся.
Двигатели переменного тока различаются по количеству фаз. По этому признаку выделяют одно-, двух-, трех- и многофазные двигатели. Однофазные двигатели могут иметь фазосдвигающую цепь, либо пусковую обмотку, либо запускаться вручную.
Потери энергии в двигателе делятся на четыре группы: потери намотки, сердечник, механические и вспомогательные. Классификация, описанная выше, является основой для дальнейшего законодательства, на этот раз только для рынка ЕС. Было идентифицировано несколько групп продуктов, включая электродвигатели.
Согласно приведенному правилу, операторы, устанавливающие трехфазные асинхронные двигатели переменного тока мощностью от 0, 75 до 375 кВт на рынке ЕС, ограничивают их способность продавать. В поле «Ключевые даты». Для производителей двигателей новые правила означают значительные изменения в отношении технологических решений, используемых в их продуктах.
В электроинструментах и бытовых приборах применяются коллекторные универсальные электродвигатели, которые могут работать от источников постоянного и переменного тока. Универсальные двигатели производятся только с последовательными обмотками возбуждения, которые при подаче постоянного тока включаются полностью, а при подаче переменного – частично.
Тем не менее, ни один из крупнейших европейских производителей не был подготовлен к этим изменениям, и практически каждый из них предлагает новые версии двигателей. Другими словами, ранее приобретенные двигатели могут быть установлены и запущены в любое время. Эта директива содержит многочисленные исключения. Он не применяется к погружным моторам, встроенным в устройства, тормозные двигатели и версии для взрывоопасных сред.
В директиве и производителях электродвигателей. Европейский союз не только фокусируется на двигателях с повышенной энергоэффективностью. Версии этого типа уже должны использоваться в течение некоторого времени. в Корее, Австралии, Мексике и Бразилии. Разумеется, детали и сфера применения правил варьируются от страны к стране, но следует ожидать, что в большинстве крупнейших экономик будут доступны только энергоэффективные двигатели. Также последствия введения этих изменений должны быть очень большими для рынков в последующие годы.
Обратимся к формуле для э. д. с. электродвигателя
Из этой формулы следует, что число оборотов электродвигателя зависит от напряжения питающей сети, сопротивления в цепи якоря и величины магнитного потока электродвигателя.Эта зависимость определяет три возможных способа регулировки скорости вращения электродвигателя.
Основными факторами роста являются изменение энергетической эффективности двигателей. Во второй части статьи мы обсудим технические аспекты проблем энергоэффективности для двигателей. В частности, мы представляем описание конструкции двигателей и приводных систем, указывающих, где происходят энергетические потери.
В энергосберегающих двигателях вносятся структурные изменения для снижения потерь энергии: механические потери ограничены минимизацией трения в подшипниках, потери снижаются путем надлежащего выбора воздушного зазора, потери сердечника снижаются с помощью листов более высокого качества, более толстые обмотки уменьшают потери Он также направлен на снижение аэродинамического сопротивления лопастей вентилятора.
При регулировке оборотов изменением напряжения сети для питания электродвигателя необходим специальный генератор с широким диапазоном регулирования напряжения. Такая система регулирования носит название системы генератор-электродвигатель (система Вард-Леонарда) и более подробно будет рассмотрена дальше. Пока отметим, что при этом способе возможна регулировка числа оборотов как вниз, так и вверх от номинальных (т. е. от оборотов, развиваемых электродвигателем при полной нагрузке и обозначаемых на щитке электродвигателя).
Энергоэффективность электродвигателей может быть увеличена в первую очередь за счет ограничения потери энергии, которая преобразуется в тепло. Во время работы двигателя такое преобразование происходит как в роторе, так и в статоре, а также в дополнительных элементах. Потери можно разделить на четыре группы: потери намотки, потери в сердечнике, механические потери и дополнительные потери.
Потери нагрузки возникают при обмотках ротора и обмотках статора. В результате текущего потока в виде тепла выходная мощность пропорциональна квадрату тока и сопротивлению проводника. Потери в обмотках изменяются в зависимости от нагрузки на двигатель и изменения сопротивления. Последний. из-за колебаний температуры окружающей среды.
Включением в цепь якоря электродвигателя добавочного сопротивления (реостата) можно снизить число оборотов электродвигателя против номинальных. Такой способ регулирования требует громоздких реостатов, рассчитанных на полный ток якоря, и связан со значительными потерями мощности в последних. Эти обстоятельства обусловливают низкую экономичность регулирования оборотов методом добавочного сопротивления в цепи якоря.
Увеличение сопротивления обмоток в индукционных машинах также зависит от явления кожи и так называемого. Эффект соседства. Первая - это концентрация тока на поверхности проводника с увеличением частоты. Эффект окрестности, в свою очередь, является результатом взаимного взаимодействия полей вблизи соседних проводников и проявляется также изменениями плотности тока. По оценкам, общие потери нагрузки в обмотках ротора и статора составляют около 50% всех потерь энергии в двигателе.
Скриншоты - пример расчетов для четырехполюсных двигателей мощностью 7, 5 кВт и 110 кВт. Расчеты проводились для рабочего времени 3500. Часы в год, но значения зависят от эффективности самих двигателей. Потери стали в магнитной цепи двигателя, которая представляет собой сердечник статора и рабочее колесо. Они делятся на так называемые. потери на гистерезис и потери на вихревые токи. Первые результаты потери энергии, необходимой для изменения положения доменов в магнитном материале во время его периодического размагничивания, что следует за кривой петли гистерезиса.
Для уменьшения магнитного потока электродвигателя в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат. Вводя в цепь возбуждения необходимое число ступеней реостата, мы понижаем ток возбуждения и уменьшаем магнитный поток; при этом уменьшается противоэлектродвижущая сила, растет ток в якоре и якорь двигателя начинает вращаться быстрее.
Независимо от гистерезисных потерь имеются потери тепла из-за возникновения вихревых токов, индуцированных в ядрах магнитным полем. Вместе составляют около 15% от общей потери энергии в двигателе. В свою очередь, трение, которое происходит в основном в подшипниках. Энергия также теряется из-за аэродинамического сопротивления, которое встречается вращающимися частями двигателя - крыльчаткой и лопастью, встроенными в охлаждающий вентилятор двигателя. Потери на трение также составляют около 15% всех потерь энергии в двигателе.
В дополнение к описанным факторам эффективности двигателя, так называемые. Дополнительные потери возникают в основном из-за гармонического магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором. Причиной этого является в основном неравномерная толщина этого зазора из-за размещения фланцев ротора и статора, расхождений по их размерам и того же способа прокладки обмоток в этих канавках. Эти неточности являются результатом пренебрежения на этапах проектирования и производства компонентов статора и ротора.
Так как величина тока в цепи возбуждения невелика (2—3% от величины тока в якоре), то и регулировочный реостат, необходимый для ее изменения, получается небольшим и дешевым. Кроме того, незначительна и потеря в нем электроэнергии, превращающейся в тепло. Поэтому данный способ регулирования скорости является достаточно экономичным.
Дополнительные потери составляют около 20% всех потерь энергии в двигателе. Каждый из компонентов важен для общего энергоэффективности силовой установки - устранения самых дорогостоящих компонентов, может значительно повысить эффективность системы. Из описания основных причин потерь мощности двигателя необходимо изменить их конструкцию, чтобы уменьшить количество выделяемого тепла. Изменения, сделанные с этой целью в энергоэффективных двигателях, можно разделить на три группы. Первый включает в себя редизайн компонентов двигателя, в основном изменения их размеров.
Чрезмерно уменьшать ток возбуждения нельзя, так как, с одной стороны, скорость вращения может увеличиться до значений, опасных для механической целости якоря, а с другой, с уменьшением потока уменьшается вращающий момент, развиваемый электродвигателем, и его работа становится неустойчивой.
Для изменения направления вращения электродвигателя надо изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения.
При одновременном изменении направления тока в обеих обмотках, что легко проверить по правилу левой руки, направление вращения не изменится.
Классификация и свойства двигателей постоянного тока
В зависимости от способа соединения обмотки возбуждения различают двигатели возбуждения:
А) параллельного;
б) последовательного;
в) смешанного.
Свойства электродвигателя определяются взаимными зависимостями ряда величин (скорости вращения, вращающего момента, тока в якоре, тока в обмотке возбуждения и т. д.), которые обычно изображают графически. Основной характеристикой двигателя является механическая , представляющая зависимость числа оборотов двигателя от вращающего момента.
На рис. 2 показана принципиальная схема двигателя параллельного возбуждения. Обмотка якоря и обмотка возбуждения В рассматриваемого двигателя образуют две параллельные ветви.
Рис. 2. Принципиальная схема двигателя параллельного возбуждения
В цепь якоря включены пусковой реостат ПР и регулировочный реостат R рг. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат r ш, служащий для изменения тока в обмотке возбуждения, а следовательно, и магнитного потока Ф.
Сила тока, потребляемая двигателем I, складывается из тока в обмотке якоря I я и тока в обмотке возбуждения Iв.
В схеме: П — плавкие предохранители; Р — двухполюсный рубильник (выключатель).
Ток обмотки возбуждения определяется по :
где r в — сопротивление обмотки возбуждения; r ш — сопротивление регулировочного реостата.
Напряжение сети U и сопротивление цепи обмотки возбуждения r в + r ш во время работы двигателя не изменяются (если мы во время работы не изменяем сопротивление регулировочного реостата), следовательно, ток Iв остается постоянным.
Постоянство тока обеспечивает постоянство магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения.
Сравнительная независимость магнитного потока от нагрузки является основным свойством двигателя параллельного возбуждения, которым определяются две главные его особенности, а именно:
1) вращающий момент изменяется прямо пропорционально силе тока, так как магнитный поток практически не зависит от тока якоря. Это следует из формулы М = кФI
2) число оборотов двигателя при увеличении нагрузки (момента сопротивления на валу) незначительно падает. Это следует из формулы
(U, С и Ф постоянны; r я — сопротивление якоря — весьма мало, поэтому произведение тока в якоре на сопротивление обмотки якоря I я r я незначительно). Так, разница между скоростью вращения ротора двигателя при отсутствии механической нагрузки (при работе вхолостую) и скоростью вращения при полной нагрузке в мощных двигателях параллельного возбуждения не превышает 6% и лишь в двигателях малой мощности (до 5 кВт) достигает 10—12%.
Таким образом, скорость вращения ротора двигателя параллельного возбуждения остается при изменениях нагрузки почти постоянной, т. е. двигатель обладает так называемой жесткой характеристикой.
Двигатели с параллельным возбуждением применяются для всех судовых вспомогательных механизмов, где требуется постоянство оборотов (насосы, станки и т. п.).
Для регулирования числа оборотов двигателя в схеме предусмотрены регулировочные реостаты R рг в цепи якоря и r ш в цепи возбуждения. Обычно применяют только регулировочный реостат r ш.
Изменение направления вращения у двигателей параллельного возбуждения чаще всего осуществляется изменением направления тока в цепи якоря.
При реостатном торможении и при торможении с возвратом электроэнергии двигателя параллельного возбуждения никаких пересоединений его обмоток не требуется: достаточно по отключении его от сети замкнуть обмотку якоря на сопротивление. Чем меньше это сопротивление, тем скорее двигатель остановится; если допустимо замыкание обмотки якоря накоротко, остановка будет особенно быстрой.
На рис. 3 показана принципиальная схема двигателя последовательного возбуждения (обозначения в схеме те же, что и на рис. 2).
Рис.3. Принципиальная схема двигателя последовательного возбуждения
Обмотка возбуждения и обмотка якоря включены в цепь последовательно. По обмотке якоря и по обмотке возбуждения двигателя протекает один и тот же ток I, который определяется формулой
Где r я — сопротивление обмотки якоря; r в — сопротивление обмотки возбуждения; U - напряжение на зажимах двигателя; Е — противо-э. д. с. якоря двигателя.
В отличие от двигателя параллельного возбуждения ток в обмотке возбуждения меняется с изменением нагрузки, так как обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно.
Поэтому магнитный поток двигателя последовательного возбуждения меняется при изменении нагрузки.
Этим обстоятельством объясняются все особенности двигателя последовательного возбуждения. Вращающий момент двигателя определяется формулой М = кФI, но в этой формуле Ф — величина не постоянная, а зависящая от тока I.
При малых значениях тока магнитная цепь не насыщена и магнитный поток прямо пропорционален току Ф = k 1 I. Тогда мы имеем М = kk 1 I 2 , т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока. Здесь k и k 1 — коэффициенты пропорциональности.
При больших токах магнитная цепь насыщается и поток при изменении тока изменяется незначительно. Таким образом, при больших токах характеристики двигателя последовательного возбуждения аналогичны характеристикам двигателей параллельного возбуждения. Пусковой момент двигателя (момент при пуске) последовательного возбуждения будет больше пускового момента двигателя параллельного возбуждения, т. е. двигатель последовательного возбуждения возьмет «легче с места» под нагрузкой, чем двигатель параллельного возбуждения.
Обороты двигателя последовательного возбуждения резко уменьшаются с увеличением нагрузки (момента сопротивления на валу). Поэтому этого двигателя называют мягкой .
При значительном уменьшении нагрузки и вместе с ней магнитного потока Ф двигатель начинает развивать очень большую скорость, или, как говорят, «идет в разнос». Разнос двигателя очень опасен, так как связан с разрушением обмотки якоря и другими механическими повреждениями. Поэтому двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать без нагрузки, т. е. вхолостую. Ременная передача от этих двигателей к приводимым механизмам недопустима, так как обрыв приводного ремня (идущего к механизму) влечет за собой разнос двигателя.
Двигатель последовательного возбуждения, имея хорошие пусковые свойства и мягкую характеристику, находит широкое применение для палубных вспомогательных механизмов (грузоподъемных устройств, шпиля, брашпиля).
Регулирование числа оборотов двигателя последовательного возбуждения осуществляется изменением сопротивления (R рг на рис. 3), включенного последовательно обмотке якоря, т. е. изменением и тока якоря и тока возбуждения (т. е. потока) или изменением сопротивления, включенного параллельно обмотке возбуждения, т. е. изменением тока возбуждения (изменением потока).
Перемена направления вращения двигателей последовательного возбуждения осуществляется аналогично двигателю параллельного возбуждения обычно изменением направления тока в якоре.
При динамическом торможении обмотки двигателя последовательного возбуждения должны быть переключены. Если не переключить обмотки, то при переходе двигателя в режим генератора направление тока в обмотке якоря должно измениться на обратное первоначальному. В процессе такого изменения тока машина размагничивается, после чего ротор машины ведет себя как простая вращающаяся масса. Чаще вместо переключения обмотки возбуждения ее оставляют подключенной к сети, а якорь замыкают на тормозное сопротивление.
Торможение противотоком двигателей последовательного возбуждения возможно только при переключении внутренних цепей, так
Рис. 4. Принципиальная схема двигателя смешанного возбуждения
Рис. 5. Механические характеристики двигателей параллельного возбуждения 1, последовательного возбуждения 2 и смешанного возбуждения 3.
как при изменении направления тока в якоре такого двигателя изменяется и направление тока возбуждения, следовательно, и потока возбуждения. При одновременном изменении направления тока в проводнике и магнитного потока поля, в котором находится проводник, направление механической силы, действующей на проводник, не изменяется.
Торможение с возвратом энергии возможно только, если обмотку последовательного возбуждения использовать как обмотку параллельного возбуждения.
Принципиальная схема двигателя смешанного возбуждения изображена на рис. 4.
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: одну последовательную В с, другую параллельную В ш. Пускаются и управляются двигатели смешанного возбуждения при помощи пускового ПР и регулировочного r ш реостатов. В этом двигателе совмещаются достоинства двигателей последовательного и параллельного возбуждения.
В зависимости от соотношения числа ампер-витков, создаваемого током в последовательной и параллельной обмотках возбуждения, характеристики этих двигателей приближаются соответственно к характеристикам двигателей последовательного или параллельного возбуждения.
На рис. 5 показаны механические характеристики двигателей параллельного возбуждения 1, последовательного возбуждения 2 и смешанного возбуждения 3.
Коэффициент полезного действия машин постоянного тока
В каждой происходят следующие потери энергии:
1)потери, связанные с нагревом током меди обмоток якоря и обмоток возбуждения (тепло Ленца);
2)потери в стали якоря; при вращении якоря в происходят: а) перемагничивание стали якоря, сопровождающееся его нагреванием; б) потери в стали якоря на нагревание, вызванные вихревыми токами;
3)потери, связанные с трением в подшипниках, трением щеток о коллектор, трением вращающихся частей о воздух и т. д.
Обозначая потерю мощности в меди Р м, потерю мощности в стали P ст, потерю мощности от трения Р т, получим формулу для определения к. п. д. генератора
⇓ОБСУДИТЬ СТАТЬЮ⇓