8-900-374-94-44
Страница 15 из 39
§ 8.
7. Электропривод по системе генератор-двигатель (Г-Д)
Для экономичного регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока в широких пределах и плавного их пуска применяется система генератор-двигатель (Г-Д). В электроприводе по системе Г-Д можно получить пределы регулирования скорости приводного электродвигателя до 20:1.
Рис. 8.11. Схема системы генератор-двигатель (Г-Д)
Пуск приводного электродвигателя постоянного тока Д производится без пускового реостата повышением напряжения на зажимах генератора Г. К зажимам пускового приводного электродвигателя Д можно подвести направление любой малой величины увеличением сопротивления в цепи обмотки возбуждения ВГ генератора постоянного тока. С увеличением тока возбуждения генератора увеличивается напряжение на его зажимах, а следовательно, и на зажимах электродвигателя Д, вследствие чего его скорость возрастает. Таким образом, управляют пуском и регулируют скорости вращения двигателя Д только изменением тока возбуждения генератора, а при необходимых случаях и двигателя без реостатов. Этим упрощают управление и сокращают потери электроэнергии при пуске и регулировании системы Г-Д, а также создают высокую плавность пуска и торможения.Весьма просто осуществляют и реверсирование (изменение направления вращения) приводного двигателя, для чего переключателем изменяют направление тока в обмотках генератора.
Механические характеристики системы Г-Д могут изменяться двумя способами: изменением подводимого к двигателю напряжения и изменением величины тока возбуждения двигателя, влияющего на магнитный поток Ф.
Электродвигатели и генераторы
Принцип работы электрических машин основан на использовании закона электромагнитной индукции и закона взаимодействия проводника с током и магнитного поля.
Согласно закону электромагнитной индукции при перемещении проводника между полюсами магнита в нем возникает электродвижущая сила (эдс) (рис. 10.1). Если проводник замкнуть, то под действием эдс в нем появится ток. На этом законе основана работа генератора, осуществляющего преобразование механической энергии в электрическую.
Рис. 10.1. Принципиальная схема генератора
Рис. 10.2. Принципиальная схема электродвигателя.
Если в магнитное поле поместить проводник с током в виде замкнутой рамки (рис. 10.2), то под действием сил, приложенных к сторонам рамки, она придет во вращение. Таким образом, проводник с током в магнитном поле можно рассматривать как элементарный электрический двигатель.
У большинства электрических машин магнитное поле создается не постоянным .магнитом, а электрическим током, протекающим по специальным катушкам машины.
Эти катушки называют обмотками возбуждения.
Электрическая схема электрических машин состоит из неподвижных и подвижных обмоток.
Электрические машины являются машинами вращательного действия. Основными частями их являются: неподвижный статор и вращающийся ротор, разделенные зазором (рис. 10.3).
Статор и ротор имеют стальные сердечники. Сердечник набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. На внутренней стороне сердечника статора и на наружной стороне сердечника ротора имеются параллельные продольные пазы, в которые укладываются обмотки. Ротор закрепляется на валу, который вращается в подшипниках. Подшипники встроены в торцовые крышки, которые болтами крепятся к станине. На валу ротора устанавливается также вентилятор, служащий для охлаждения обмоток и сердечников.
Станина имеет лапы для крепления машины к фундаменту или специальный фланец с отверстиями под крепления.
Рис. 10.3. Конструктивная схема электрических машин.
Асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели состоят из двух основных частей: статора и ротора. На статоре располагается трехфазная обмотка (у трехфазных двигателей). Концы обмоток присоединяют к питающей сети. Обмотка имеет шесть выводных концов с металлическими бирками, расположенных в коробке и имеющих обозначение начал трехфазной обмотки С1, С2, СЗ и концов С4, С5, Сб. Ротор также имеет обмотку. В зависимости от типа обмотки асинхронные электродвигатели бывают с короткозамкнутым и с фазным ротором.
В короткозамкнутом роторе обмотка представляет собой цилиндрическую клетку, образованную отдельными стержнями, уложенными в пазы ротора и соединенными с торцовых сторон кольцами («беличье колесо»).
Обмотка фазного ротора выполнена изолированным проводом и уложена в пазы ротора. Как и обмотка статора, она состоит из трех (или группы) катушек. Начала катушек соединены в звезду, а концы подведены к контактным кольцам на валу ротора. По кольцам скользят щетки, закрепленные в неподвижных щеткодержателях.
Электродвигатели с короткозамкнутым ротором применяют в электроприводе, не требующем регулирования скорости. Основным недостатком их является большая сила тока в момент пуска двигателя, превышающая в 5…7 раз ток при установившихся оборотах.
Двигатели с фазным ротором позволяют регулировать скорость вращения. Кроме того, включение в цепь ротора пускорегулирующе- го реостата позволяет уменьшить силу пускового тока и увеличить пусковой момент.
Каждый двигатель снабжается паспортом — металлической табличкой, закрепляемой на корпусе двигателя, на которой указывается завод-изготовитель, марка двигателя и основная характера стика двигателя.
Если в паспорте указано напряжение 220/380 В, то электродвигатель можно включать в сеть напряжением 220 и 380 В.
При напряжении 220 В обмотки статора соединяют треугольником (рис.
10.4, а) —начало первой обмотки С1 соединяют с концом третьей С6, начало второй С2 с концом первой С4, а конец второй С5 с началом третьей СЗ. Соединенные концы подводят к трем фазам сети.
Рис. 10.4. Схемы соединения обмоток статора трехфазного двигателя.
При напряжении 380 В обмотки соединяют звездой (рис. 10.4, б, в) — все начала или все концы обмоток соединяют вместе, а свободные концы включают в трехфазную сеть.
Двигатели постоянного тока применяют в тех случаях, когда требуется плавное и глубокое регулирование скорости вращения.
Двигатель постоянного тока (рис. 10.5) состоит из неподвижной станины, вращающегося якоря с коллектором и щеток со щеткодержателями. Внутри станины укрепляют главные полюсы с обмотками возбуждения, которые создают магнитный поток. Стержни обмотки якоря соединены по определенной схеме с пластинами коллектора. Щетки, скользящие по пластинам коллектора, соединяют обмотку якоря с внешней сетью. С внешней сетью соединяется также обмотка возбуждения;
Для уменьшения искрения на коллекторе на станине установлены дополнительные полюса.
Регулирование частоты вращения ротора достигается изменением силы тока обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока питаются постоянным током. Различают двигатели с независимым возбуждением и с самовозбуждением. В двигателях с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от постороннего источника. В машинах же с самовозбуждением она питается от якорной обмотки этого же двигателя. Возбуждение при этом может осуществляться при параллельном, последовательном или смешанном соединениях, когда одна обмотка возбуждения соединена с якорной параллельно, а другая — последовательно. Соответственно этому электродвигатели называются шунтовые, сериесные и ком- паундные.
Все электрические машины характеризуются обратимостью, т. е. возможностью работать как в качестве электродвигателя, так и в качестве генератора.
Рис. 10.5. Электродвигатель постоянного тока:
1 — коллектор; 2 — щеткодержатель; 3 — якорь; 4 — главный полюс; 5 — обмотка возбуждения; 6 — станина; 7 — подшипниковый щит; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря.
Генератор устроен принципиально так же, как и электродвигатель. В отличие от него в генераторе принудительно вращается ротор (якорь). С помощью генератора механическая энергия вращающегося якоря превращается в электрическую. Подобно электродвигателям, генераторы бывают переменного и постоянного тока. Генераторы постоянного тока бывают шунтовые, сериесные и компаундные.
KEY TAKE AWAY
Батарея не может быть использована для самозарядки на основании закона сохранения энергии и второго закона термодинамики.
Аккумулятор электромобиля отдает энергию колесам, которые вращают генератор, но часть этой энергии теряется в процессе нагрева и трения. Поскольку энергию нельзя создать из ничего, генератор отправляет в батарею меньше энергии, чем получает от батареи, что приводит к разрядке батареи, а не к ее перезарядке.
ПРЕТЕНЗИЯ: Вращающееся колесо электромобиля может заряжать аккумулятор транспортного средства, прикрепив генератор: «Вам больше не нужно останавливаться, чтобы зарядить аккумуляторы на зарядных станциях или заряжать их ночью дома. Пока автомобиль работает , он заряжает аккумуляторы».
Хозяин машины построил буровую установку у себя дома. Идея заключалась в том, чтобы «использовать энергию, которую производит вращение колеса, для зарядки аккумуляторов автомобиля».Хотя генератор вырабатывает электричество, он не может производить достаточно электроэнергии для подзарядки автомобильного аккумулятора, исходя из законов физики. Кроме того, генератор использует энергию колеса, из-за чего автомобиль движется медленнее и менее эффективно. Два физических закона, подтверждающие неверность этого утверждения, — это закон сохранения энергии и второй закон термодинамики [1,2] .
Закон сохранения энергии гласит, что общее количество энергии во Вселенной не может измениться. Энергия не может быть уничтожена или создана из ничего. Вместо этого энергия может изменять форму, например, из химической (например, хранящейся в батарее) в механическую (например, вращающееся колесо).
Только этот закон гарантирует, что генератор не может перезарядить батарею, кроме как в идеальных условиях.
Батарея может быть перезаряжена только в том случае, если энергия от батареи идеально передается колесу, которое идеально приводит в движение генератор, который затем идеально отправляет свое электричество обратно в батарею. Однако этот сценарий невозможен, когда кто-то управляет электромобилем, поскольку энергия, вырабатываемая при вращении колеса, передается на землю для ускорения автомобиля, а не возвращается обратно в аккумулятор. Любая энергия, используемая для движения автомобиля, не поступает в генератор и, следовательно, не используется для перезарядки аккумулятора. И наоборот, любая энергия, возвращаемая аккумулятору, не используется для движения автомобиля. Следовательно, прикрепление генератора к колесу автомобиля не оказывает окончательного влияния на характеристики автомобиля, поскольку любая энергия, которая передается обратно в аккумулятор, в конечном итоге используется колесом для движения автомобиля до тех пор, пока энергия не останется в аккумуляторе автомобиля, колесе или или генератор.
Второй закон термодинамики гласит, что даже описанный выше идеальный сценарий невозможен в реальном мире. По сути, второй закон признает тенденцию Вселенной к беспорядку. Энергия, хранящаяся в упорядоченной форме, такой как бревно, стремится к неупорядоченной форме, такой как зола, а не наоборот, то есть зола не становится бревном. Что касается претензии, этот закон гарантирует, что энергия не передается идеально между компонентами автомобиля. Энергия будет частично рассеиваться за счет тепла и трения на пути от аккумулятора к колесу, от колеса к генератору и от генератора обратно к аккумулятору.
Принимая во внимание два закона вместе, любой источник энергии не может быть использован для самовосполнения. В случае с автомобилем, даже если колесо используется только для вращения генератора, например, когда автомобиль поднимается на домкрате, генератор будет возвращать аккумулятору меньше энергии, чем он получает от аккумулятора. В частности, электричество, проходящее по проводам, и трение между механическими компонентами (например, осями колес и генераторами) создают тепло, которое отбирает энергию у автомобиля.
Поскольку часть энергии батареи теряется в виде тепла при переходе к колесу, а затем к генератору, генератор может производить только меньше энергии, чем дает ему батарея. Некоторая энергия также теряется в виде тепла, когда она возвращается в батарею, поэтому батарея получает меньше энергии, чем производит. Следовательно, генератор, прикрепленный к колесу электромобиля, не может подзаряжать аккумулятор, поскольку ему пришлось бы создавать дополнительную энергию из ничего (в нарушение закона сохранения энергии), чтобы компенсировать потери энергии на тепло, трение и движение электромобиля. машина.
Вопреки утверждению, генератор снижает эффективность автомобиля и замедляет его. Генератор тратит энергию впустую, посылая в батарею меньше энергии, чем батарея посылает ему. Перенаправление энергии от колеса к генератору также тратит энергию впустую и замедляет автомобиль, заставляя колесо вращаться медленнее. Чтобы поддерживать скорость автомобиля, батарея должна отдавать еще больше энергии колесу, чтобы компенсировать энергию, отводимую на генератор, разряжая батарею быстрее, чем в противном случае.
Формулировка утверждения подразумевает, что автомобиль может работать вечно, что по определению является вечным двигателем [3] . По причинам, изложенным выше, вечные двигатели в основном признаны невозможными [1,2,4] . На протяжении веков многие изобретатели предлагали такие устройства, но никому из них не удалось [5] . Невозможность создания вечного двигателя с научной точки зрения настолько общепризнана, что патентные ведомства США отказываются от любых заявлений о вечном двигателе в ожидании неопровержимых доказательств того, что предлагаемая машина производит больше энергии, чем потребляет9.0029 [6] .
(2019) «Вечный двигатель». Британская энциклопедия Трехфазный четырехполюсный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор состоит из трех частей: сердечника статора, токопроводящего провода и каркаса. Сердечник статора представляет собой группу стальных колец, изолированных друг от друга, а затем склеенных между собой.
Внутри этих колец есть прорези, вокруг которых наматывается токопроводящая проволока, образуя катушки статора. Проще говоря, в трехфазном асинхронном двигателе есть три разных типа проводов. Эти типы проводов можно назвать Фаза 1, Фаза 2 и Фаза 3.
Провода каждого типа наматываются на пазы на противоположных сторонах внутренней части сердечника статора. Как только токопроводящий провод находится внутри сердечника статора, сердечник помещается в раму.
Из-за сложности темы ниже приводится упрощенное объяснение того, как четырехполюсный трехфазный асинхронный двигатель переменного тока работает в автомобиле. Он начинается с аккумулятора в автомобиле, который подключен к двигателю. Электрическая энергия подается на статор через автомобильный аккумулятор. Катушки внутри статора (сделанные из проводящего провода) расположены на противоположных сторонах сердечника статора и действуют как магниты. Поэтому, когда электрическая энергия от автомобильного аккумулятора подается на двигатель, катушки создают вращающиеся магнитные поля, которые тянут за собой проводящие стержни снаружи ротора. вращающийся ротор создает механическую энергию, необходимую для вращения шестерен автомобиля, которые, в свою очередь, вращают шины.
Теперь в типичном автомобиле, т. е. неэлектрическом, есть и двигатель, и генератор. Аккумулятор питает двигатель, который питает шестерни и колеса. Вращение колес — это то, что затем приводит в действие генератор в автомобиле, а генератор заряжает аккумулятор. Вот почему вам советуют некоторое время ездить на машине после прыжка: аккумулятор необходимо перезарядить, чтобы он функционировал должным образом. В электромобиле нет генератора.
Так как тогда заряжается батарея? Хотя отдельного генератора переменного тока нет, двигатель в электромобиле действует как двигатель и генератор переменного тока.
Это связано с переменным характером сигнала переменного тока, который позволяет легко повышать или понижать напряжение до различных значений. Это одна из причин, по которой электромобили настолько уникальны.
Как упоминалось выше, аккумулятор запускает двигатель, который подает энергию на шестерни, вращающие колеса.
Этот процесс происходит, когда ваша нога находится на педали акселератора — ротор притягивается вращающимся магнитным полем, что требует большего крутящего момента. Но что происходит, когда вы отпускаете акселератор? Когда ваша нога отпускает педаль акселератора, вращающееся магнитное поле останавливается, и ротор начинает вращаться быстрее (в отличие от магнитного поля). Когда ротор вращается быстрее, чем вращающееся магнитное поле в статоре, это действие перезаряжает батарею, действующую как генератор переменного тока.
Концептуальные различия этих двух типов тока должны быть очевидны; в то время как один ток (постоянный) постоянен, другой (переменный) более прерывистый. Однако все немного сложнее, чем простое объяснение, поэтому давайте разберем эти два термина более подробно.
Постоянный ток (DC) Непрерывный ток относится к постоянному и однонаправленному электрическому потоку.
Кроме того, напряжение сохраняет полярность во времени. Фактически, на батареях четко обозначены положительные и отрицательные полюса. Они используют постоянную разность потенциалов для создания тока всегда в одном и том же направлении. В дополнение к батареям, топливным элементам и солнечным батареям, скольжение между конкретными материалами также может производить постоянный ток.
Термин «переменный ток» определяет тип электричества, характеризующийся напряжением (например, давлением воды в шланге) и силой тока (например, скоростью потока воды через шланг), которые изменяются во времени ( рисунок 1). Когда напряжение и ток сигнала переменного тока изменяются, они чаще всего следуют синусоидальной форме. Из-за того, что форма волны представляет собой синусоидальную волну, напряжение и ток чередуются между положительной и отрицательной полярностью при просмотре с течением времени. Синусоидальная форма сигналов переменного тока обусловлена тем, как генерируется электричество.
Другой термин, который вы можете услышать при обсуждении электричества переменного тока, — это частота. Частота сигнала — это количество полных волновых циклов, совершенных за одну секунду времени. Частота измеряется в герцах (Гц), а в Соединенных Штатах стандартная частота электросети составляет 60 Гц. Это означает, что сигнал переменного тока колеблется со скоростью 60 полных возвратно-поступательных циклов каждую секунду.
Электричество переменного тока — лучший способ передачи полезной энергии от источника генерации (например, плотины или ветряной мельницы) на большие расстояния.
Рис. 2. Многофазная система использует несколько напряжений для сдвига фаз отдельно друг от друга, чтобы преднамеренно выйти из строя. Это связано с переменным характером сигнала переменного тока, который позволяет легко повышать или понижать напряжение до различных значений. распределительный трансформатор, который снабжает электроэнергией окрестности (те цилиндрические серые коробки, которые вы видите на опорах линий электропередач), может иметь напряжение до 66 кВА (66 000 вольт переменного тока).
Энергия переменного тока позволяет нам создавать генераторы, двигатели и системы распределения электроэнергии, которые намного более эффективны, чем постоянный ток, поэтому переменный ток является наиболее популярным энергетическим током для питания приложений.
Большинство крупных промышленных двигателей — это асинхронные двигатели, которые используются для питания дизельных поездов, посудомоечных машин, вентиляторов и многих других устройств. Однако что именно означает «асинхронный двигатель»?
С технической точки зрения это означает, что обмотки статора индуцируют ток, протекающий по проводникам ротора.
Проще говоря, это означает, что двигатель запускается, потому что электричество индуцируется в ротор магнитными токами, а не прямым подключением к электричеству, как в других двигателях, таких как коллекторный двигатель постоянного тока.
Что означает полифаза? Всякий раз, когда у вас есть статор, содержащий несколько уникальных обмоток на полюс двигателя, вы имеете дело с многофазностью (рис.
2).
Чаще всего предполагается, что многофазный двигатель состоит из трех фаз, но есть двигатели, использующие две фазы. А 9Многофазная система 0085 использует несколько напряжений для сдвига фаз отдельно от каждого, чтобы намеренно выйти из строя.
Что означает трехфазный ? Основанный на основных принципах Николы Теслы, определенных в его многофазном асинхронном двигателе, представленном в 1883 году, «три фазы» относятся к токам электрической энергии, которые подаются на статор через аккумулятор автомобиля (рис. 3).
Эта энергия приводит к тому, что катушки проводящего провода начинают вести себя как электромагниты. Простой способ понять три фазы — рассмотреть три цилиндра в форме буквы Y, использующие энергию, направленную к центральной точке, для выработки энергии. По мере создания энергии ток течет в пары катушек внутри двигателя таким образом, что он естественным образом создает северный и южный полюс внутри катушек, позволяя им действовать как противоположные стороны магнита.
По мере того, как эта технология продолжает развиваться, производительность электромобилей начинает быстро догонять и даже превосходить их бензиновые аналоги. Хотя до электромобилей еще далеко, скачки, которые сделали такие компании, как Tesla и Toyota, вселили надежду на то, что будущее транспорта больше не будет зависеть от ископаемого топлива. На данный момент мы все знаем об успехе, который Tesla добилась в этой области, выпустив седан Tesla Model S, который способен проезжать до 288 миль, развивать скорость до 155 миль в час и имеет крутящий момент 687 фунт-футов.
Тем не менее, есть десятки других компаний, которые добились значительного прогресса в этой области, например, Ford Fusion Hybrid, Toyota Prius и Camry-Hybrid, Mitsubishi iMiEV, Ford Focus, BMW i3, Chevy Spark и Mercedes B-Class Electric. (рис. 4).
Электродвигатели воздействуют на окружающую среду как напрямую , так и косвенно на микро- и макроуровне.
Это зависит от того, как вы хотите воспринимать ситуацию и сколько энергии вы хотите. С индивидуальной точки зрения, электромобилям не требуется бензин для работы, что приводит к тому, что автомобили без выбросов заполняют наши дороги и города. Хотя это создает новую проблему, связанную с дополнительным бременем производства электроэнергии, это снижает нагрузку на миллионы автомобилей, густонаселяющих города и пригороды, и выбрасывающие в воздух токсины (рис. 5).
Примечание. Значения MPG (миль на галлон), указанные для каждого региона, представляют собой комбинированный рейтинг экономии топлива в городе/шоссе для бензинового транспортного средства, которое будет иметь глобальное потепление, эквивалентное вождению электромобиля. Региональные рейтинги выбросов глобального потепления основаны на данных электростанций за 2012 год из базы данных EPA eGrid 2015. Сравнения включают выбросы при производстве бензина и электроэнергии. Средний показатель расхода топлива в 58 миль на галлон в США — это средневзвешенное значение продаж, основанное на том, где электромобили были проданы в 2014 году.
С крупномасштабной точки зрения рост электромобилей дает несколько преимуществ.
Во-первых, снижается шумовое загрязнение, поскольку шум, издаваемый электрическим двигателем, намного тише, чем шум двигателя, работающего на газу. Кроме того, поскольку электрические двигатели не требуют такого же типа смазочных материалов и технического обслуживания, как газовый двигатель, количество химикатов и масел, используемых в автосервисах, будет сокращено из-за меньшего количества автомобилей, нуждающихся в проверках.
Заключение Электрический двигатель меняет ход истории точно так же, как паровой двигатель и печатный станок изменили прогресс. Хотя электрический двигатель не прокладывает новые пути в том же ключе, что и эти изобретения, он открывает совершенно новый сегмент транспортной отрасли, который ориентирован не только на стиль и производительность, но и на внешнее воздействие .