В чем преимущество электродвигателя по сравнению. Сравнение двс и электрического двигателя
Экономичность и надежность оборудования напрямую зависят от электродвигателя, поэтому его выбор требует серьезного подхода.
Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.
Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.
При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.
Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.
Электродвигатели постоянного тока
Используются для создания регулируемых электроприводов с высокими динамическими и эксплуатационными показателями. К таким показателям относятся высокая равномерность вращения и перезагрузочная способность. Их используют для комплектации бумагоделательных, красильно-отделочных и подъемно-транспортных машин, для полимерного оборудования, буровых станков и вспомогательных агрегатов экскаваторов. Часто они применяются для оснащения всех видов электротранспорта.
Электродвигатели переменного тока
Пользуются более высоким спросом, чем двигатели постоянного тока. Их часто используют в быту и в промышленности. Их производство намного дешевле, конструкция проще и надежнее, а эксплуатация достаточно проста. Практически вся домашняя бытовая техника оборудована электродвигателями переменного тока. Их используют в стиральных машинах, кухонных вытяжных устройствах и т.д. В крупной промышленности с их помощью приводится в движение станковое оборудование, лебедки для перемещения тяжелого груза, компрессоры, гидравлические и пневматические насосы и промышленные вентиляторы.
Шаговые электродвигатели
Действуют по принципу преобразования электрических импульсов в механическое перемещение дискретного характера. Большинство офисной и компьютерной техники оборудовано ими. Такие двигатели очень малы, но высокопродуктивны. Иногда и востребованы в отдельных отраслях промышленности.
Серводвигатели
Относятся к двигателям постоянного тока. Они высокотехнологичны. Их работа осуществляется посредством использования отрицательной обратной связи. Такой двигатель отличается особой мощностью и способен развивать высокую скорость вращения вала, регулировка которого осуществляется с помощью компьютерного обеспечения. Такая функция делает его востребованным при оборудовании поточных линий и в современных промышленных станках.
Линейные электродвигатели
Обладают уникальной способностью прямолинейного перемещения ротора и статора относительно друг друга. Такие двигатели незаменимы для работы механизмов, действие которых основано на поступательном и возвратно-поступательном движении рабочих органов. Использование линейного электродвигателя способно повысить надежность и экономичность механизма благодаря тому, что значительно упрощает его деятельность и почти полностью исключает механическую передачу.
Синхронные двигатели
Являются разновидностью электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора равняется частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре. Их используют для компрессоров, крупных вентиляторов, насосов и генераторов постоянного тока, так как они работают с постоянной скоростью.
Асинхронные двигатели
Также, относятся к категории электродвигателей переменного тока. Частота вращения их ротора отличается от частоты вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора. Асинхронные двигатели разделяются на два типа, в зависимости от конструкции ротора: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Конструкция статора в обоих видах одинакова, различие только в обмотке.
Электродвигатели незаменимы в современном мире. Благодаря им значительно облегчается работа людей. Их использование помогает снизить затрату человеческих сил и сделать повседневную жизнь намного комфортнее.
В данной статье рассматриваются ключевые преимущества и недостатки электромобилей по сравнению с автомобилями c ДВС. Рассмотрены аспекты надежности и долговечности, стоимость обслуживания, скорость, безопасность, запас хода и наличие необходимой инфраструктуры.
Надежность и долговечность
Электромобили значительно надежнее, чем их бензиновые, дизельные и газовые собратья. В них меньше подвижных и изнашиваемых частей, так как двигатель и коробка передач устроены гораздо проще.
В популярном американском электрокаре Chevrolet Bolt всего 35 подвижных частей, которые подвержены износу. В бензиновом автомобиле того же класса Volkswagen Golf таких частей 167.
Кроме того, ДВС из-за своей неэффективности выделяют большое количество тепла во время работы, что ускоряет износ компонентов силового агрегата.
Единственная часть электромобиля, которая может вызывать опасения в плане надежности, это аккумуляторная батарея. Со временем она деградирует, то есть теряет часть своей изначальной энергетической емкости. Однако статистические данные позволяют судить о том, что при надлежащем уходе очень маловероятно, что батарея потеряет более 20% емкости до пробега 250000 км.
На сегодняшний день лишь у 0,003% электромобилей наблюдаются проблемы с батареей, которые требуют её замены до окончания расчетного срока службы транспортного средства (8-10 лет).
Стоимость обслуживания и эксплуатации
Следствием высокой надежности электромобилей являются низкие затраты их владельцев на ремонт и обслуживание.
По данным Американской ассоциации автомобилистов, при 240000 км пробега электромобиль в среднем требует на $2100 рублей меньше расходов на ремонт и замену изношенных частей, чем обычный автомобиль того же класса.
В дополнение к этому, у электрических транспортных средств существенно меньше расходных материалов и жидкостей, требующих регулярной замены. Их тормозные колодки изнашиваются медленнее благодаря технологии рекуперативного торможения.
Наконец, автомобили с электрическим двигателем позволяют крупно сэкономить на топливных расходах. Полная зарядка электричеством даже в пиковые часы будет обходиться владельцу машины дешевле, чем заправка бака обычного автомобиля самым дешевым топливом - сжатым природным газом.
К 100 тыс. км пробега топливная экономия от использования электричества вместо бензина составит около 300 тыс. рублей (при зарядке в ночное время).
Стоимость покупки
Одним из главных на сегодняшний день недостатков электромобилей является их высокая стоимость, которая обусловлена дороговизной аккумуляторных батарей. При отсутствии государственных субсидий и налоговых льгот покупка электромобиля пока не может быть экономически обоснована, даже с учетом экономии при эксплуатации.
Динамика цен на аккумуляторные ячейки позволяет прогнозировать паритет стоимости электромобилей и автомобилей с ДВС не раньше, чем к началу 2020-х годов.
Запас хода
На данный момент, электромобили всё еще отстают от бензиновых и дизельных автомобилей по запасу хода. Лишь немногие модели способны проехать на одном заряде более 500 км. Более того, в условиях низких температур эффективность батарей падает, на обогрев салона требуется дополнительная энергия, поэтому запас хода может уменьшиться на 20%.
Исследование, проведенное в Массачусетском Технологическом Институте, показало, что запас хода современных бюджетных электромобилей достаточен, чтобы покрыть ежедневные нужды 87% американцев без дополнительной подзарядки в течение дня.
С развитием аккумуляторных технологий отставание от бензиновых и дизельных автомобилей удастся сократить, а строительство скоростных зарядных станций вдоль автомагистралей позволит использовать электромобили для дальних поездок (см. п.7).
Скорость и безопасность
Электродвигатели не требуют коробки передач и способны мгновенно передавать максимальный крутящий момент на колеса, благодаря чему электромобили очень динамичны и позволяют безопасно проводить обгоны.
Электрический седан Tesla Model S P100D является одним из самых быстрых серийных автомобилей на планете с разгоном 0-100 км/ч за 2,5 секунды.
Электрическая силовая установка является более эффективной (КПД>90%), чем ДВС и позволяет моментально изменять усилие на каждом из ведущих колес. Это даёт электромобилям высокую курсовую устойчивость и снижает риск заноса.
Низкое расположение аккумуляторной батареи понижает центр тяжести и повышает жесткость кузова, что положительно сказывается на управляемости.
Отсутствие массивного двигателя в передней части электромобиля создает своего рода «буферную зону», смягчающую последствия фронтального столкновения. А наличие батареи под полом защищает пассажиров от боковых ударов.
Технологичность
В электрический транспорт проще интегрировать технологии автономного вождения (автопилот).
Недавно американская компания Waymo (подразделение Google, входящее в холдинг Alphabet), объявила о закупке 20 тысяч электромобилей Jaguar I-Pace для организации собственного сервиса беспилотного такси в США.
Еще одной технологией, доступной только для электромобилей является Vehicle-to-Grid (V2G), которая позволяет сделать их частью энергетической системы. Электрические авто при этом помогают сбалансировать нагрузку на энергосеть и вдобавок дают возможность своим владельцам немного подзаработать на разнице ночных и дневных тарифов.
Удобство зарядки/заправки
Одним из факторов, сдерживающих распространение электромобилей, является медленная скорость зарядки и недостаточное количество зарядных станций.
Количество публично доступных зарядных станций увеличивается, их уже около 500 тысяч, а отношение к количеству электромобилей на дорогах на данный момент составляет 1:6. Тем не менее, мощность большинства публичных зарядных станций не превышает 50кВт. Это значит, что для полной зарядки электромобиля требуется больше часа, в то время как на заправку топливного бака обычного автомобиля уходит не более 10 минут.
Ситуация усугубляется большим количеством стандартов зарядных разъемов, это приводит к несовместимости некоторых моделей электромобилей с зарядными станциями определенного типа. Но, благодаря международному сотрудничеству автопроизводителей, в 2011 году удалось разработать универсальный зарядный стандарт ССS. Он позволяет сочетать зарядку с использованием постоянного и переменного тока, а его последние модификации имеют максимальную мощность в 350 кВт, которая позволяет зарядить электромобиль за 15 минут. На данный момент строительство зарядных станций данного типа активно ведется в ЕС, США, Японии и Китае, однако пока ни один электромобиль не поддерживает зарядку такой мощности.
Экологичность и низкий уровень шума
Производство электромобилей наносит больший экологический вред, чем производство автомобилей с ДВС. Причина - энергоемкость и ресурсоемкость производства батарей, содержащих редкоземельные металлы.
На этап производства приходится около половины всех выбросов парниковых газов за весь жизненный цикл электромобилей.
Тем не менее, большинство научных исследований сходятся на том, что электромобили полностью компенсируют большее экологическое воздействие на производственном этапе меньшими выбросами в процессе эксплуатации. Скорость, с которой они «выходят в плюс» напрямую зависит от уровня развития ВИЭ и других низкоуглеродных источников энергии.
В Норвегии, которая более 95% электроэнергии получает от электростанций - это 25000км пробега, для Москвы (ТЭС на природном газе) - примерно 70000км.
Не стоит забывать, что в месте эксплуатации электромобилей выбросы отсутствуют. Это позволяет вынести загрязнения за пределы городов в районы расположения электростанций, где относительно низкая плотность населения.
Также для электромобилей, в сравнении с традиционными автомобилями, характерно низкое шумовое загрязнение.
Обобщая всё вышесказанное, можно сделать вывод, что на текущей стадии развития технологий, электрические авто уже обладают рядом бесспорных преимуществ по сравнению с бензиновыми и дизельными автомобилями, а в будущем они будут только усиливаться.
Просмотры: 1 852
TaggedВсем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей. Так же я бы хотел немного сказать о способах регулировки их частоты вращения, и перечислить их основные преимущества и недостатки.
Раньше, я уже писал статьи, касающиеся асинхронных электродвигателей. Если кому интересно, то можете почитать. Вот список:
Ну а теперь давайте перейдём к теме сегодняшней статьи.
В нынешнее время, очень трудно представить, как бы существовали все промышленные предприятия, если бы не было асинхронных машин. Эти двигателя установлены практически везде. Даже дома у каждого человека есть такой двигатель. Он может стоять на вашей стиральной машинке, на вентиляторе, на насосной станции, в вытяжке и так далее.
Вообще асинхронный электродвигатель – это колоссальный прорыв в мировой промышленности. Во всём мире их выпускают более 90 процентов от количества всех выпускаемых двигателей.
Асинхронный электродвигатель – это электрическая машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. То есть потребляет электрический ток, а взамен дают крутящий момент, с помощью которого можно вращать многие агрегаты.
А само слово «асинхронный» — означает неодновременных или не совпадающий по времени. Потому что у таких двигателей частота вращения ротора немного отстаёт от частоты вращения электромагнитного поля статора. Ещё это отставанием называют – скольжением.
Обозначается это скольжение буквой: S
А вычисляется скольжение по такой формуле: S = (n1 — n2)/ n1 — 100%
Где, n1 – это синхронная частота магнитного поля статора;
n2 – это частота вращения вала.
Устройство асинхронного электродвигателя.
Двигатель состоит из таких частей:
1. Статор с обмотками. Или станина внутри которой находится статор с обмотками.
2. Ротор. Это если короткозамкнутый. А если фазный, то можно сказать, что это якорь или даже коллектор. Я думаю, ошибки не будет.
3. Подшипниковые щиты. На мощных двигателях ещё спереди стоят подшипниковые крышки с уплотнителями.
4. Подшипники. Могут стоять скольжения или качения, в зависимости от исполнения.
5. Вентилятор охлаждения. Изготавливается из пластмассы или металла.
6. Кожух вентилятора. Имеет прорези для подачи воздуха.
7. Борно или клеммная коробка. Для подключения кабелей.
Это все его основные детали, но в зависимости от вида, типа и исполнения может немного изменяться.
Асинхронные электродвигателя в основном выпускают двух видов: трёхфазные и однофазные. В свою очередь трёхфазные ещё подразделяются на подвиды: с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.
Самые распространённые – это трёхфазные с короткозамкнутым ротор.
Статор имеет круглую форму и набирается с листов специальной стали, которые изолированы между собой, и эта собранная конструкция образует сердечник с пазами. В пазы сердечника укладываются обмотки, со специального обмоточного, изолированного лаком провода. Провод это отливают в основном из меди, но также есть и с алюминия. Если двигатель очень мощный, то обмотки делаю шиной. Обмотки укладывают так, чтобы они были сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов. Соединяются обмотки статора в звезду или в треугольник.
Ротор, как выше я уже писал выше, бывает короткозамкнутый или фазный.
Короткозамкнутый представляет собой вал, на который надеваются листы, из тоже специальной, стали. Эти наборные листы образую сердечник, в пазы которого заливают расплавленный алюминий. Этот алюминий равномерно растекается по пазам и образует стержни. А по краям эти стержни замыкают алюминиевыми кольцами. Получается своего рода «беличья клетка».
Фазный ротор представляет собой вал с сердечником и тремя обмотками. Одни концы, которых обычно соединяют в звезду, а вторые три конца присоединяют к токосъемным кольцам. А на эти кольца, с помощью щёток подают электрический ток.
Если в цепь фазных обмоток добавить нагрузочный реостат, и при пуске двигателя увеличивать активное сопротивление, то таким способ можно уменьшить большие пусковые токи.
Принцип действия.
Когда на обмотки статора подаются электрический ток, то в этих обмотках возникает электрический поток. Как вы помните, из выше написанных слов, фазы у нас смещены относительно друг друга на 120 градусов. И вот этот поток в обмотках начинает вращаться.
И при вращении магнитного потока статора, в обмотках ротора появляется электрический ток, и своё магнитное поле. Два этих магнитных поля начинают взаимодействовать и заставляют вращаться ротор электродвигателя. Это если ротор короткозамкнутый.
По принципу роботы вот посмотрите видео ролик.
Ну а с фазным ротором, по сути, принцип тот же. Напряжение подаётся на статор и на ротор. Появляются два магнитных поля, которые начинают взаимодействовать и вращать ротор.
Достоинства и недостатки асинхронных двигателей.
Основные достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:
1. Очень простое устройство, что позволяет сократить затраты на его изготовление.
2. Цена намного меньше по сравнению с другими двигателями.
3. Очень простая схема запуска.
4. Скорость вращения вала практически не меняется с увеличением нагрузки.
5. Хорошо переносит кратковременные перегрузы.
6. Возможность подключения трёхфазных двигателей в однофазную сеть.
7. Надёжность и возможность эксплуатировать практически в любых условиях.
8. Имеет очень высокий показатель КПД и cos φ.
Недостатки:
1. Не возможности контролировать частоту вращения ротора без потери мощности.
2. Если увеличить нагрузку, то уменьшается момент.
3. Пусковой момент очень мал по сравнению с другими машинами.
4. При недогрузе увеличивается показатель cos φ
5. Высокие показатели пусковых токов.
Достоинства двигателей с фазным ротором:
1. По сравнению с короткозамкнутыми двигателями, имеет достаточно большой вращающий момент. Что позволяет его запускать под нагрузкой.
2. Может работать с небольшим перегрузом, и при этом частота вращения вала практически не меняется.
3. Небольшой пусковой ток.
4. Можно применять автоматические пусковые устройства.
Недостатки:
1. Большие габариты.
2. Показатели КПД и cos φ меньше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором. И при недогрузе эти показатели имеют минимальное значение
3. Нужно обслуживать щёточный механизм.
На этом буду заканчивать свою статью. Если она была вам полезной, то поделитесь нею со своими друзьями в социальных сетях. Если есть вопросы, то задавайте их в комментариях и подписывайтесь на обновления. Пока.
С уважением Александр!
Начавшаяся в XX веке электрификация привела к появлению огромного количества полезных изобретений. Одним из них стал электродвигатель.
Мотор лишился механически трущихся и искрящих узлов, превзойдя многие популярные на то время разновидности приводов. На сегодняшний день существуют различные типы электродвигателей, что позволяет внедрить оптимальный вариант в ту или иную машину. Какие именно агрегаты считаются востребованными, в чём состоят их ключевые особенности?
Сразу стоит заметить, что двигатели грубо разделяют на два типа: постоянного и переменного тока. Поэтому мы будем рассматривать характерные особенности каждого из них.
Устройства постоянного тока
Такие агрегаты позволяют создавать регулируемые электроприводы с отличными эксплуатационными свойствами. Существует две категории двигателей, питающихся постоянным током: коллекторные и вентильные.
Первые характеризуются присутствием щёточно-коллекторного узла, который способствует электросоединению неподвижной и вращающей части агрегата. Бесколлекторные (вентильные) - это электродвигатели с замкнутой системой. Они работают так, как и синхронные. Такие агрегаты могут иметь любые габариты. Самыми маленькими оснащают ПК, игрушки и прочие приборы.
Электродвигатели постоянного тока применяются в различных сферах ввиду огромного количества положительных сторон:
- простота управления и регулировки частоты вращения;
- хорошие пусковые свойства;
- компактность;
- возможность использования в разных режимах.
Однако коллекторные приборы нуждаются в трудоёмком профилактическом сервисе. Да и стоимость производства агрегатов довольно высокая, что отражается на их цене.
Устройства переменного тока
Эти агрегаты делят на синхронные и асинхронные. Ключевое отличие в том, что в первых электродвигателях 1 гармоника магнитодвижущей силы стартера перемещается аналогично скорости ротора. У асинхронных поле вращается быстрее. И поскольку двигатели переменного тока задействуют особенно часто, их стоит рассмотреть более детально.
Синхронные модели
Многие виды компьютерного оборудования оснащаются именно этими двигателями. Преимущества их использования очевидны:
- постоянство частоты вращения;
- невысокая чувствительность к перепадам напряжения;
- возможность применения в качестве генератора мощности.
Разумеется, есть и некоторые минусы в виде трудностей с запуском, сложности конструкции и регулировки частоты вращения.
Асинхронные агрегаты
Здесь частота вращения ротора отличается от показателей крутящего поля. По конструктивным особенностям различают устройства с фазным и короткозамкнутым ротором. Больше отличий в конструкции практически нет. Они затрагивают разве что количество обмоток, согласно чему устройства разделяют на одно-, двух- и трёхфазные.
Сегодня асинхронные агрегаты входят в комплектацию огромного количества электрических машин. Благодаря многообразию физических и технических характеристик устройства можно выбрать оптимальное (в зависимости от условий эксплуатации).
К примеру, трёхфазный электродвигатель 1,1 кВт 3 000 об/мин подойдёт для оснащения бетономешалок, компрессоров, насосов и т. д. Однофазный агрегат применим в маломощных устройствах, в числе которых небольшие комнатные вентиляторы.
Среди преимуществ асинхронных электродвигателей стоит выделить:
- простоту изготовления;
- повышенную надёжность;
- малые эксплуатационные расходы.
Однако подобные приборы зависят от напряжения сети, имеют небольшой пусковой момент и вызывают сложности в точной регулировке скорости. Это важно учитывать при покупке.
Незаменимое изобретение
Электрические двигатели применяются буквально везде. Без них невозможно представить работу большинства машин. Их использование помогает снизить трудозатраты человека и сделать повседневную жизнь максимально комфортной.
При выборе бесщеточного электродвигателя для своих разработок инженеры имеют несколько вариантов. Неправильный выбор может привести к провалу проекта не только на этапе разработки – испытания, но и после выхода на рынок, что крайне не желательно. Для облегчения работы инженеров мы сделаем краткое описание преимуществ и недостатков четырех наиболее популярных видов бесщеточных электрических машин: асинхронный электродвигатель (АД), двигатель с постоянными магнитами (ПМ), синхронные реактивные электродвигатели (СРД), вентильные реактивные электродвигатели (ВРД).
Содержание:
Асинхронные электродвигатели
Асинхронные электрические машины смело можно назвать костяком современной промышленности. Благодаря своей простоте, относительно низкой стоимости, минимальным затратам на обслуживание, а также возможности работать напрямую от промышленных сетей переменного тока, они прочно въелись в современные производственные процессы.
Сегодня существует множество различных с самыми , которые позволяют регулировать скорость и момент асинхронной машины в большом диапазоне с хорошей точностью. Все эти свойства позволили асинхронной машине значительно потеснить с рынка традиционные коллекторные двигатели. Вот почему регулируемые асинхронные электродвигатели (АД) легко встретить в самых различных устройствах и механизмах, таких как , электроприводы стиральных машин, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок, кранов, лифтов и многом другом электрооборудовании.
АД создает вращающий момент за счет взаимодействия тока статора с индуцированным током ротора. Но токи ротора нагревают его, что приводит к нагреванию подшипников и снижению их срока службы. Замена на медную не устраняет проблему, а приводит к удорожанию электрической машины и может накладывать ограничения на прямой ее пуск.
Статор асинхронной машины имеет довольно большую постоянную времени, что негативно сказывается на реагировании системы управления при изменении скорости или нагрузки. К сожалению, потери связанные с намагничиванием не зависят от нагрузки машины, что снижает КПД АД при работе с малыми нагрузками. Автоматическое уменьшение потока статора возможно использовать для решения данной проблемы — для этого необходим быстрый отклик системы управления на изменения нагрузки, но как показывает практика, такая коррекция не существенно увеличивает КПД.
На скоростях превышающих номинальную поле статора ослабевает из-за ограниченного напряжения питания. Вращающий момент начинает падать, так как для его поддержания будет требоваться больший ток ротора. Следовательно, управляемые АД ограничиваются диапазоном скорости для поддержания постоянной мощности примерно 2:1.
Механизмы, которые требуют более широкого диапазона регулирования, такие как: станки с ЧПУ, тяговый электропривод, могут снабжаться асинхронными электродвигателями специального исполнения, где для увеличения диапазона регулирования могут уменьшать количество витков обмотки, снижая при этом значения крутящего момента на низких скоростях. Также возможен вариант с использованием более высоких токов статора, что требует установки более дорогих и менее эффективных инверторов.
Немаловажным фактором при работе АД является качество питающего напряжения, ведь максимальный КПД электродвигатель имеет при синусоидальной форме питающего напряжения. В реальности преобразователь частоты обеспечивает импульсное напряжение и ток, похожий на синусоидальный. Проектировщикам стоит иметь ввиду, что КПД системы ПЧ-АД будет меньше, чем сумма КПД преобразователя и двигателя в отдельности. Улучшения качества выходного тока и напряжения повышают увеличением несущей частоты преобразователя, это приводит к снижению потерь в двигателе, но при этом возрастают потери в самом инверторе. Одним из популярных решений, особенно для промышленных мощных электроприводов, является установка фильтров между преобразователем частоты и асинхронной машиной. Однако это приводит к увеличению стоимости, габаритов установки, а также к дополнительным потерям мощности.
Еще одним недостатком асинхронных машин переменного тока является то, что их обмотки распределены на протяжении многих пазов в сердечнике статора. Это приводит к появлению длинных концевых поворотов, которые увеличивают габариты и потери энергии в машине. Эти вопросы исключены в стандартах IE4 или классах IE4. В настоящее время европейский стандарт (IEC60034) специально исключает любые двигатели, требующие электронного управления.
Двигатели с постоянными магнитами
Двигатели с постоянными магнитами (английский PMMS) создают крутящий момент благодаря взаимодействию токов статора с постоянными магнитами внутри или снаружи ротора. Электродвигатели с поверхностным расположением магнитов являются маломощными и используются в IT оборудовании, офисной технике, автомобильном транспорте. Электродвигатели со встроенными магнитами (IPM) распространены в мощных машинах, используемых в промышленности.
Двигатели с постоянными магнитами (ПМ) могут использовать концентрированные (с коротким шагом) обмотки, если пульсации вращающего момента не являются критичными, но распределенные обмотки являются нормой в ПМ.
Поскольку PMMS не имеют механических коммутаторов, то преобразователи играют важную роль в процессе контроля тока обмотки.
В отличии от других видов бесщеточных электродвигателей, PMMS не требуют тока возбуждения, необходимого для поддерживания магнитного потока ротора. Следовательно, они способны обеспечить максимальный крутящий момент на единицу объема и могут быть лучшим выбором, если требования к массо-габаритным показателям выходят на первый план.
К наибольшим недостаткам таких машин можно отнести их очень высокую стоимость. Высокопроизводительные электрические машины с постоянными магнитами используют такие материалы как неодим и диспрозий. Данные материалы относятся к редкоземельным и добываются в геополитически нестабильных странах, что приводит к высоким и нестабильным ценам.
Также постоянные магниты добавляют производительности при работе на низких скоростях, но являются «Ахиллесовой пятой» при работе на высоких. Например, при увеличении скорости машины с постоянными магнитами возрастет и ее ЭДС, постепенно приближаясь к напряжению питания инвертора, при этом снизить поток машины не представляется возможным. Как правило, номинальная скорость является максимальной для ПМ с поверхностно-магнитной конструкцией при номинальном напряжении питания.
На скоростях больше номинальной, для электродвигателей с постоянными магнитами типа IPM, используют подавление активного поля, что достигается путем манипуляций с током статора при помощи преобразователя. Диапазон скорости, в котором двигатель может надежно работать, ограничен примерно 4:1.
Необходимость ослабления поля в зависимости от скорости приводит к потерям независящим от вращающего момента. Это снижает КПД на высоких скоростях, и особенно при малых нагрузках. Этот эффект наиболее актуален при использовании ПМ в качестве тягового автомобильного электропривода, где высокая скорость на автостраде неизбежно влечет за собой необходимость ослабления магнитного поля. Часто разработчики выступают за применение двигателей с постоянными магнитами в качестве тяговых электроприводов электромобилей, однако их эффективность при работе в данной системе довольно сомнительна, особенно после вычислений связанных с реальными циклами вождения. Некоторые производители электромобилей сделали переход от ПМ к асинхронным электродвигателям в качестве тяговых.
Также к существенным недостаткам электродвигателей с постоянными магнитами можно отнести их трудно управляемость в условиях неисправности из-за присущей им противо-ЭДС. Ток будет протекать в обмотках, даже при выключенном преобразователе, пока вращается машина. Это может приводить к перегреву и другим неприятным последствиям. Потеря контроля над ослабленным магнитным полем, например при аварийном отключении источника питания, может привести к неподконтрольной генерации электрической энергии и, как следствие, к опасному возрастанию напряжения.
Рабочие температуры – это еще одна не самая сильная сторона ПМ, кроме машин, изготовленных из самарий-кобальта. Также большие броски тока инвертора могут привести к размагничиванию.
Максимальная скорость PMMS ограничивается механической прочностью крепления магнитов. В случае повреждения ПМ его ремонт, как правило, осуществляется на заводе изготовителе, так как извлечение и безопасная обработка ротора практически невозможна в обычных условиях. И, наконец, утилизация. Да это тоже доставляет немного хлопот после окончания срока службы машины, но наличие редкоземельных материалов в этой машине должно упростить этот процесс в ближайшем будущем.
Несмотря на перечисленные выше недостатки, электродвигатели с постоянными магнитами являются непревзойденными с точки зрения низкоскоростных мелкогабаритных механизмов и устройств.
Реактивные синхронные двигатели
Синхронные реактивные электродвигатели всегда работают только в паре с преобразователем частоты и используют тот же тип управления потоком статора, что и обычный АД. Роторы данных машин изготавливают из тонколистной электротехнической стали с пробитыми пазами таким образом, что бы они намагничивались с одной стороны меньше, чем с другой. Стремление магнитного поля ротора «соединится» с вращающимся магнитным потоком статора и создает вращающий момент.
Основным плюсом реактивных синхронных электродвигателей являются незначительные потери в роторе. Таким образом, хорошо спроектированная и работающая с правильно подобранным алгоритмом управления синхронная реактивная машина вполне способна соответствовать европейским стандартам премиум класса IE4 и NEMA, не используя при этом постоянных магнитов. Снижения в роторе повышает крутящий момент и увеличивает плотность мощности, по сравнению с асинхронными машинами. Эти двигатели имеют низкий уровень шума благодаря низкому уровню пульсаций момента и вибраций.
Основным недостатком является низкий коэффициент мощности по сравнению с асинхронной машиной, что приводит к большей потребляемой мощности из сети. Это увеличивает затраты и ставит перед инженером сложную задачу, стоит ли применять реактивную машину или нет для конкретной системы?
Сложность в изготовлении ротора и его хрупкость делает невозможным применение реактивных электродвигателей для высокоскоростных операций.
Синхронные реактивные машины хорошо подходят для широкого спектра промышленных применений, которые не требуют больших перегрузок или высоких скоростей вращения, а также все чаще применяются для частотно-регулируемых насосов из-за повышенной их эффективности.
Вентильные реактивные электродвигатели
Вентильный реактивный двигатель (с английского SRM) создает вращающий момент за счет притягивания магнитных полей зубцов ротора к магнитному полю статора. Вентильные реактивные двигатели (ВРД) имеют относительно небольшое количество полюсов обмотки статора. Ротор имеет зубчатый профиль, что упрощает его конструкцию и улучшает создаваемое магнитное поле, в отличии от реактивных синхронных машин. В отличии от синхронных реактивных двигателей (СРД), ВРД используют импульсное возбуждение постоянного тока, что требует обязательное наличие специального преобразователя для их работы.
Для поддержания магнитного поля в ВРД необходимы токи возбуждения, что уменьшает плотность мощности по сравнению с электрическими машинами с постоянными магнитами (ПМ). Однако они все же имеют габаритные размеры меньшие, чем обычные АД.
Основным преимуществом вентильных реактивных машин является то, что ослабления магнитного поля происходит естественным образом при снижении тока возбуждения. Это свойство дает им большое преимущество в диапазоне регулирования при скоростях выше номинальной (диапазон устойчивой работы может достигать 10:1). Высокая эффективность присутствует у таких машин при работе на высоких скоростях и с малыми нагрузками. Также ВРД способны обеспечить удивительно постоянную эффективность в довольно широком диапазоне регулирования.
Вентильные реактивные машины обладают также довольно хорошей отказоустойчивостью. Без постоянных магнитов эти машины не генерируют неуправляемый ток и момент при неисправностях, а независимость фаз ВРД позволяет им работать с уменьшенной нагрузкой, но с повышенными пульсациями момента при выходе из строя какой-то из фаз. Это свойство может быть полезно, если проектировщики хотят повышенной надежности разрабатываемой системы.
Простая конструкция ВРД делает его прочным и недорогим в изготовлении. При его сборке не используются дорогие материалы, а ротор из нелегированной стали отлично подходит для суровых климатических условий и высоких скоростей вращения.
ВРД имеет коэффициент мощности меньший, чем ПМ или АД, но его преобразователю не нужно создавать выходное напряжение синусоидальной формы для эффективной работы машины, соответственно такие инверторы имеют меньшие частоты коммутации. Как следствие – меньшие потери в инверторе.
Основными недостатками вентильных реактивных машин являются наличие акустических шумов и вибрации. Но с этими недостатками довольно хорошо борются путем более тщательного проектирования механической части машины, улучшения электронного управления, а также механическое объединение двигатель – рабочий орган.
