Устройство и принцип работы электродвигателя
- Подробности
- Автор: ООО ПТЦ Привод
Электрический двигатель (коротко – электродвигатель) преобразует энергию тока в механическое движение. Принцип работы устройства основан на магнетизме, что определяет присутствие в конструкции магнитов (постоянных, электромагнитов, материалов с магнитными свойствами).
Содержание статьи
Принцип действия электродвигателя
Электродвигателем называется устройство, принцип действия которого преобразование электрической энергии в механическую. Такое преобразование используется для запуска в работу всевозможных видов техники, начиная от самого простого рабочего оборудования и заканчивая автомобилями. Однако при всей полезности и продуктивности такого преобразования энергий, в данном свойстве есть небольшой побочный эффект, который проявляется в повышенном выделении тепла. Именно поэтому электрические двигатели оснащаются дополнительным оборудованием, которое способно охладить его и позволить работать в бесперебойном режиме.
Принцип работы электродвигателя — основные функциональные элементы
Любой электрический двигатель состоит из двух основных элементов, один из которых является неподвижным, такой элемент называется статором. Второй элемент является подвижным, эта часть двигателя называется ротором. Ротор электрического двигателя может быть выполнен в двух вариантах, а именно может быть короткозамкнутым и с обмоткой. Хотя последний тип на сегодняшний день является достаточно большой редкостью, поскольку сейчас повсеместно используются такие устройства, как частотные преобразователи.
Принцип действия электродвигателя основана на выполнении следующих этапов работы. Во время включения в сеть, в статоре начинает осуществлять вращение возникшее поле магнитного типа. Оно действует на обмотку статора, в которой при этом возникает ток индукционного типа. Согласно закону Ампера, ток начинает действовать на ротор, который под этим действием начинает свое вращение. Непосредственно частота вращения ротора напрямую зависит от того, какой силы действия возникает ток, а так же от того, какое количество полюсов при этом возникает.
Принцип работы электродвигателя — разновидности и типы
На сегодняшний день наиболее распространенными считаются двигатели, которые имеют магнитоэлектрический тип. Есть еще тип электродвигателей, которые называют гистерезисные, однако они не являются распространенными. Первый тип электродвигателей, магнитоэлектрического вида, могут подразделяться еще на два подтипа, а именно электродвигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.
Первый вид двигателей осуществляет свою работу от постоянного тока, эти типы электродвигателей используются тогда, когда возникает необходимость регулировки скоростей. Данные регулировки осуществляются посредством изменений напряжения в якоре. Однако сейчас существует большой выбор всевозможных преобразователей частот, поэтому такие двигатели стали применяться все реже и реже.
Двигатели переменного тока соответственно работают посредством действия тока переменного типа. Здесь так же имеется своя классификация, и двигатели делятся на синхронные и асинхронные. Их основным различием становится разница во вращении необходимых элементов, в синхронном движущая гармоника магнитов движется с той же скоростью, что и ротор. В асинхронных двигателях наоборот, ток возникает за счет разницы в скоростях движения магнитных элементов и ротора.
Благодаря своим уникальным характеристикам и принципам действия электродвигатели на сегодняшний день распространенны гораздо больше, чем скажем двигатели внутреннего сгорания, поскольку они обладают рядом преимуществ перед ними. Так коэффициент полезного действия электродвигателей является очень высоким, и может достигать почти 98%. Так же электродвигатели отличаются высоким качеством и очень долгим рабочим ресурсом, они не издают много шума, и во время работы практически не вибрируют. Большим преимуществом такого типа двигателей является то, что они не нуждаются в топливе, и как результат не выделяют в атмосферу никаких загрязняющих веществ. К тому их использование является намного более экономичным, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
Как устроен и принцип действия двигателя постоянного тока (видео)
Подавляющее большинство электроприводов нашего времени использует энергию переменного тока в асинхронном режиме. Тем не менее, двигатель постоянного тока, устройство и принцип действия которого будут рассматривать в этой статье, востребован ничуть не меньше. Что он собой представляет, какие существуют теоретические и технические особенности его эксплуатации, постараемся разобраться далее.
Что такое постоянный ток и чем он отличается от переменного?
Начать рассмотрение вопроса работы эл. двигателей необходимо с того, на чем она базируется, то есть с определения понятия «электрический ток» и его основных видов. Еще со школы нам должно быть известно, что в физике электрическим током называют направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов). Его разделение на постоянный и переменный происходит в зависимости от величины и направления тока в некотором промежутке времени. Это хорошо видно на следующем графике:
Как видим, график (красная линия) не меняется по времени, напряжение остается стабильным. В то же время, переменный ток (зеленый график) имеет форму синусоиды, постоянно меняя свое значение и направление со временем. Периодичность, с которой график проходит через одинаковые точки по ординате называется частотой и ее стандартное значение 50 Гц.
На самом деле, практически любой бытовой прибор, электроинструмент использует постоянный ток, который преобразовывается из переменного (сетевого). Может возникнуть закономерный вопрос, а для чего тогда использовать синусоидальный ток? Дело в том, что такая форма задания тока позволяет легко преобразовывать напряжение, идущее от генератора электростанции с 200-300 тысяч Вольт до привычных 220, с учетом коэффициента эффективности.
Принцип действия электродвигателя
В нашем случае, принцип действия тот же, но роль неподвижного однородного магнитного поля играет статор, а рамки – вращающийся ротор электродвигателя, обмотками, который еще называется якорем.
Как видим, два полюса статора создают однородное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из двух частей, которые наматываются на его полюсах и соединены между собой последовательно. Концы обмоток замыкаются на разделенных, расположенных на валу электродвигателя коллекторных пластинах. Они имеют физический контакт (трение) с неподвижными щетками из графита, на которые подается пост. ток. Если при подключении соблюсти принцип расположение полюсов тока, как показано на рисунке, то полюс якоря, расположенный на схеме слева, станет условно северным, как и находящийся в непосредственной близости полюс статора электродвигателя.
Естественная реакция на действие магнитных сил заключается в том, что равнозначные полюса отталкиваются. В нашем случае такое возможно только за счет вращения. По инерции, северный полюс якоря, провернувшись на 180º станет напротив южного полюса статора. По логике вещей они должны начать притягиваться, что приведет к торможению. Чтобы этого не допустить, в момент перехода нейтральной линии коллектор переключает обмотки якоря местами, чтобы вновь организовать отторжение полюсов.
Учитывая эту информацию устройство двигателя постоянного тока можно изобразить следующим образом:
Характеристики эл. двигателя
Любой электродвигатель – это оборудование, которым можно и нужно управлять в зависимости от требуемых условий. Регулирование происходит одним из трех основных способов/принципов:
- Изменение напряжения, которое подается на обмотки ротора,
- Ввод в цепь дополнительного сопротивления,
- Изменения возбуждения (величины потока).
Работа эл. двигателя оценивается по графикам характеристик, которые бывают:
- Механическими. Представляют собой зависимость частоты/скорости вращения от момента на валу с учетом поправочного коэффициента,
- Регулировочными. Зависимость частоты вращения от напряжения в цепи питания обмоток якоря, сопротивления или потока.
На графике механической характеристики откладываются значения частоты вращения (ось ординат) и момента (ось абсцисс). По форме она представляет прямую с отрицательным уклоном. Построение графика происходит для определенной величины напряжения. Базовым уравнением механической характеристики является:
где ω – скорость вращения якоря, U – напряжение якорной цепи, К – конструктивный коэффициент, Ф – значение потока, RЯ – активное сопротивление якорной обмотки, М – электромагнитный момент электродвигателя.
В отличие от нее, график регулировочной характеристики строится для определенного момента на валу (ось абсцисс). На оси ординат по-прежнему находится частота. Для каждого из видов регулирования электродвигателя, уравнение будет иметь отдельную форму:
- Уравнение при регулировании напряжением:
- Уравнение при реостатном регулировании (сопротивлением):
- Уравнение при потоковом регулировании:
Сравнительный вид графиков представлен ниже:
Также следует напомнить, что механические характеристики могут быть естественными (снятые при номинальном режиме) или искусственными (получаются при изменении напряжения, сопротивления или потока).
Режимы работы эл. двигателей
Используя уже известный нам график для характеристик, но расширив его на четыре квадранта, можно оценить существующие режимы работы оборудования.
Нумерация квадрантов происходит против часовой стрелки, начиная с правого верхнего, в котором координаты по обеим осям идут со знаком «+». Как видно из графика, в первом и третьем квадрантах наблюдается двигательный режим, для которого мощность Р = М·ω >, 0. В двух других квадрантах реализуется режим генератора или тормозной, имеющий отрицательное значение мощности.
Как видим, график образует несколько характерных точек и зон, ответственных за отдельные режимы:
- Холостой ход. Образуется в точке ωо. В этом случае ток и момент равны нулю, а сам эл. двигатель не получает энергии,
- Генератор при параллельном подключении. Называется еще тормозным с рекуперацией в сеть. Реализуется при ω >, ωо и E >, U. Эл. двигатель получает механическую энергию от работающего оборудования, а в сеть взамен отдается электрическая (генератор тока),
- Короткое замыкание. В этом случае ω = 0 и Е = 0. Механическая энергия от вращения вала не отдается, а электрическая превращается в тепловую,
- Генератор при последовательном соединении. Этот режим еще называется торможением с противовключением. При этом ω <, 0, а ток и ЭДС имеют одинаковое направление. Выработка электричества происходит за счет вращения оборудования, совмещенного с валом ротора,
- Автономный генератор. Режим динамического торможения предполагает выработку электричества за счет одной лишь механической энергии вращения вала от привода, без участия сети.
Технические и энергетические параметры функционирования двигателей постоянного тока позволяют с большой эффективностью использовать их в разных сферах, от машиностроения до легкой промышленности и даже игрушек. Они могут действовать в чисто двигательном или режиме генератора (тормозном), используя различные коэффициенты.
устройство и принцип действия, конструкция и управление, применение дпт
Устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может использоваться как двигатель или генератор, так как конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ) аналогична конструкции генератора. Особенностью ДПТ является механический инвертор (коммутатор). Этот коммутатор имеет скользящие контакты в виде щёток, которые расположены так, что они изменяют полярность обмоток якоря (катушек) во время вращательного движения.
Особенности и устройство ДПТ
ДПТ представляет собой вращающуюся электрическую машину, работающую от постоянного тока. В зависимости от направления потока мощности проводится различие между двигателем (электродвигатель с электрической и механической мощностью) и генератором (электрический генератор, на который подаётся механическая мощность, а также электроэнергия). ДПТ могут запускаться под нагрузкой, их скорость легко изменить. В режиме генератора ДПТ преобразует напряжение переменного тока, подаваемое ротором, в пульсирующее постоянное напряжение.
История изобретения
Основываясь на развитии первых гальванических элементов в первой половине XIX века, первыми электромеханическими преобразователями энергии были машины постоянного тока. Первоначальная форма электродвигателя была разработана в 1829 году, а в 1832 году француз Ипполит Пиксии построил первый генератор. Антонио Пачинотти построил в 1860 году электродвигатель постоянного тока с многокомпонентным коммутатором. Фридрих фон Хефнер-Алтенек разработал барабанный якорь в 1872 году, который открыл возможность промышленного использования в области крупномасштабного машиностроения.
В последующие десятилетия такие машины из-за развития трехфазного переменного тока потеряли свою значимость в крупномасштабном машиностроении. Синхронные машины и системы с низким уровнем обслуживания асинхронного двигателя заменили их во многих устройствах.
Конструкция двигателя
Чтобы понять принцип действия ДПТ, нужно сначала изучить его конструктивные особенности, одной из которых является то, что в магнитном поле постоянного магнита установлен вращающийся проводящий контур.
Упрощая эту структуру, можно сказать, что двигатель состоит из двух основных компонентов:
- Основной магнит (постоянный магнит), который прикреплён к статору. Магнитное поле также может быть электрически сгенерировано. На статоре находятся так называемые возбуждающие обмотки (катушки).
- Проводящая петля (арматура) на сердечнике якоря, обычно состоящая из слоистых металлических листов.
Обе конструкции называются двигателями постоянного тока с внешним возбуждением. Электродинамический закон указывает, что токопроводящая петля проводника в магнитном поле представляет собой силу [F], зависящую от тока [I] и напряжённости магнитного поля [B]. Токопроводящий проводник окружен круговым магнитным полем. Если объединить магнитное поле магнитного поля с магнитным полем проводящей петли, можно обнаружить суперпозицию двух полей, а также результирующий силовой эффект.
Обмотка якоря состоит из двух половин катушки. Если применить напряжение постоянного тока к двум концам обмотки якоря, можно представить, что движущиеся носители заряда поступают в нижнюю половину катушки из верхней половины катушки.
Каждая токопроводящая катушка развивает собственное магнитное поле, и магнитное поле постоянного магнита накладывается на магнитное поле нижней половины катушки и поле верхней половины катушки. Линии поля постоянного магнитного поля всегда одного направления, они всегда показывают с севера на южный полюс. Напротив, поля двух половин катушки имеют противоположные направления.
В левой части поля половины катушки полевые линии поля возбудителя и поля катушки имеют одно и то же направление. Благодаря этому силовому эффекту в противоположном направлении на нижнем и верхнем концах арматуры создаётся крутящий момент, который вызывает вращательное движение якоря.
Якорь представляет собой так называемый двутавровый якорь. Эта конструкция получила название из-за своей формы, которая напоминает два составных «Т». Катушки якоря соединены с платами коммутатора (коллектора). Подача тока в обмотке якоря обычно осуществляется через угольные щётки, которые обеспечивают скользящий контакт с вращающимся коммутатором и подают катушкам электричество. Щётки изготавливаются из самосмазывающихся графитов, частично смешанных с медным порошком для небольших двигателей.
Принцип действия и использование
Это устройство представляет собой электромашину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник, переносимый током, помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.
Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое — электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.
Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.
По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.
Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется коммутацией. Очень многие двигатели имеют встроенную коммутацию. Это означает, что при вращении двигателя механические щётки автоматически коммутируют катушки на роторе.
Настройка скорости
ДПТ можно легко регулировать. Скорость можно изменить с помощью следующих переменных:
- Напряжение якоря U_A (управление напряжением).
- Основной поток поля (полевое управление), сила магнитного поля.
- Анкерное сопротивление.
Напряжение якоря U_A (управление напряжением).Простейшим методом управления скоростью вращения является управление приводным напряжением. Чем выше напряжение, тем выше скорость, которую двигатель пытается достичь. Во многих приложениях простое регулирование напряжения может привести к большим потерям мощности в цепи управления, поэтому широко используется метод широтно-импульсной модуляции.
В основном способе с широтно-импульсной модуляцией рабочая мощность включается и выключается для модуляции тока. Отношение времени включения к «выключенному» времени определяет скорость двигателя.
Электродвигатель с внешним возбуждением легко контролировать, поскольку токи через обмотки якоря и статора можно контролировать отдельно. Поэтому такие двигатели имели определённое значение, особенно в области высоко динамичных приводных систем, например, для привода станков с точной регулировкой скорости и крутящего момента.
Современное применение
ДПТ используются в различных областях.
Он является важным элементом в различных продуктах:
- игрушках;
- сервомеханических устройствах;
- приводах клапанов;
- роботах;
- автомобильной электронике.
Высококачественные предметы повседневного назначения (кухонные приборы) используют серводвигатель, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели являются типичными ДПТ, в которых стационарные и вращающиеся катушки представляют собой последовательные провода.
Принцип работы асинхронного двигателя
Электродвигатель предназначен для преобразования, с малыми потерями, электрическую энергию в механическую.
Строение двигателя
Основные элементы электродвигателя это – статор, ротор, их обмотки и магнитопровод.
Преобразование электрической энергии в механическую происходит во вращающейся части мотора — роторе.
У двигателя переменного тока, ротор получает энергию не только за счет магнитного поля, но и при помощи индукции. Таким образом, они называются асинхронными двигателями. Это можно сравнить с вторичной обмоткой трансформатора. Эти асинхронные двигатели еще называют вращающимися трансформаторами. Чаще всего используется модели рассчитанные на трех фазное включение.
Конструкция асинхронного двигателя
Направление вращения электродвигателя задается правилом левой руки буравчика: оно демонстрирует связь между магнитным полем и проводником.
Второй очень важный закон – Фарадея:
- ЭДС наводиться в обмотке, но электромагнитный поток меняется во временем.
- Величина наведенной ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения электрического потока.
- Направление ЭДС противодействует току.
Принцип действия
При подаче напряжения на неподвижные обмотки статора, оно создает магнитное в статора. Если подается напряжение переменного тока, то магнитный поток, созданный им, изменяется. Так статор производит изменение магнитного поля, и ротор получает магнитные потоки.
Таким образом, ротор электродвигателя принимает эти поток статора и, следовательно, вращается. Это основной принцип работы и скольжения в асинхронных машинах. Из вышеизложенного следует отметить, что магнитный поток статора (и его напряжение) должно быть равно переменному току для вращения ротора, так что асинхронная машина может работать только от сети переменного тока.
Принцип работы асинхронного двигателя
Когда такие двигатели действуют в качестве генератора, они будет генерировать непосредственно переменный ток. В случае такой работы, ротор вращается с помощью внешних средств скажем, турбины. Если ротор имеет некоторый остаточный магнетизм, то есть некоторые магнитные свойства, которые сохраняет по типу магнита внутри материала, то ротор создает переменный поток в стационарной обмотке статора. Так что это обмотки статора будут получать наведенное напряжение по принципу индукции.
Индукционные генераторы используются в небольших магазинах и домашних хозяйствах, чтобы обеспечить дополнительную поддержку питания и являются наименее дорогостоящими из-за легкого монтажа. В последнее время они широко используется людьми в тех странах, где электрические машины теряют мощность из-за постоянных перепадов напряжения в питающей электросети. Большую часть времени, ротор вращается при помощи небольшого дизельного двигателя соединенного с асинхронным генератором переменного напряжения.
Как вращается ротор
Вращающийся магнитный поток проходит через воздушный зазор между статором, ротором и обмоткой неподвижных проводников в роторе. Этот вращающийся поток, создает напряжение в проводниках ротора, тем самым заставляя наводиться в них ЭДС. В соответствии с законом Фарадея электромагнитной индукции, именно это относительное движение между вращающимся магнитным потоком и неподвижными обмотками ротора, которые возбуждает ЭДС, и является основой вращения.
Двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором проводники ротора образовывают замкнутую цепь, в следствии чего возникает ЭДС наводящая ток в нем, направление задается законом Ленса, и является таким, чтобы противодействовать причине его возникновения. Относительное движение ротора между вращающимся магнитным потоком и неподвижным проводником и является его действием к вращению. Таким образом, чтобы уменьшить относительную скорость, ротор начинает вращаться в том же направлении, что и вращающийся поток на обмотках статора, пытаясь поймать его. Частота наведенной на него ЭДС такая же, как частота питания.
Гребневые асинхронные двигатели
Когда напряжение питания низкое, возбуждение обмоток короткозамкнутого ротора не происходит. Это обусловлено тем что, когда число зубцов статора и число зубьев ротора равное, таким образом вызывая магнитную фиксацию между статором и ротором. Этот физический контакт иначе называется зубо-блокировкой или магнитной блокировкой. Данная проблема может быть преодолена путем увеличения количества пазов ротора или статора.
Подключение
Асинхронный двигатель можно остановить, просто поменяв местами любые два из выводов статора. Это используется во время чрезвычайных ситуаций. После он изменяет направление вращающегося потока, который производит вращающий момент, тем самым вызывая разрыв питания на роторе. Это называется противофазным торможением.
Видео: Как работает асинхронный двигатель
//www.youtube.com/embed/hu9TaxRe2UE?feature=player_detailpage
Для того чтобы этого не происходило в однофазном асинхронном двигателе, необходимо использование конденсаторного устройства.
Его нужно подключить к пусковой обмотке, но предварительно обязательно проводится его расчет.
Формула, из которой следует, что электрические машины переменного тока двухфазного или однофазного типа должны снабжаться конденсаторами с мощностью, равной самой мощности двигателя.
QC = Uс I2 = U2 I2 / sin2
Схема: Подключение асинхронного двигателя
Аналогия с муфтой
Рассматривая принцип действия асинхронного электродвигателя, используемого в промышленных машинах, и его технические характеристики, нужно сказать про вращающуюся муфту механического сцепления . Крутящий момент на валу привода должен равняться крутящему моменту на ведомом валу. Кроме того, следует подчеркнуть, что эти два момента являются одним и тем же, поскольку крутящий момент линейного преобразователя вызывается трением между дисков внутри самой муфты.
Электромагнитная муфта сцепления
Похожий принцип действия и у тягового двигателя с фазным ротором. Система такого мотора состоит из восьми полюсов (из которых 4 – основные, а 4 – добавочные), и остовы. На основных полюсах расположены медные катушки. Вращение такого механизма обязано зубчатой передаче, которая получает крутящий момент от вала якоря, так же называемого сердечником. Включение в сеть, производится четырьмя гибкими кабелями. Основное назначение многополюсного электродвигателя – приведение в движение тяжелой техники: тепловозы, тракторы, комбайны и в некоторых случаях, станки.
Достоинства и недостатки
Устройство асинхронного двигателя является практически универсальным, но так же, у данного механизма есть свои плюсы и минусы.
Преимущества асинхронных двигателей переменного тока:
- Конструкция простой формы.
- Низкая стоимость производства.
- Надежная и практичная в обращении конструкция.
- Не прихотлив в эксплуатации.
- Простая схема управления
Эффективность этих двигателей очень высока, так как нет потерь на трение, и относительно высокий коэффициент мощности.
Недостатки асинхронных двигателей переменного тока:
- Не возможен контроль скорости без потерь мощности.
- Если увеличивается нагрузка – уменьшается момент.
- Относительно небольшой пусковой момент.
Трехфазный асинхронный двигатель
Трехфазный асинхронный электродвигатель — это асинхронный электродвигатель, который имеет трехфазную обмотку статора.
Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором — это асинхронный электродвигатель, у которого ротор выполнен с короткозамкнутой обмоткой в виде беличьей клетки [1].
Конструкция асинхронного электродвигателя
Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.
Статор асинхронного двигателяРотор асинхронного двигателя
Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.
Корпус и сердечник статора асинхронного электродвигателяКонструкция шихтованного сердечника асинхронного двигателя
Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.
Принцип работы. Вращающееся магнитное поле
Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.
Вращающееся магнитное поле — это основная концепция электрических двигателей и генераторов.
ЗагрузкаВращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя
Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.
, где n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин, f1 – частота переменного тока, Гц, p – число пар полюсов
Концепция вращающегося магнитного поля
Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени
ЗагрузкаМагнитное поле прямого проводника с постоянным токомМагнитное поле создаваемое обмоткой
Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.
Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времениТок протекающий в витках электродвигателя (сдвиг 60°)ЗагрузкаВращающееся магнитное поле
Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток
Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.
Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током
Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.
Короткозамкнутый ротор «беличья клетка» наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)
Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.
Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый роторМагнитный момент действующий на ротор
Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.
Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора
Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n2 меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n1.
Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n2, где s – скольжение асинхронного электродвигателя, n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин, n2 – частота вращения ротора, об/мин,
Рассмотрим случай когда частота вращения ротора будет совпадать с частотой вращения магнитного поля статора. В таком случае относительное магнитное поле ротора будет постоянным, таким образом в стержнях ротора не будет создаваться ЭДС, а следовательно и ток. Это значит что сила действующая на ротор будет равна нулю. Таким образом ротор будет замедляться. После чего на стержни ротора опять будет действовать переменное магнитное поле, таким образом будет расти индуцируемый ток и сила. В реальности же ротор асинхронного электродвигателя никогда не достигнет скорости вращения магнитного поля статора. Ротор будет вращаться с некоторой скоростью которая немного меньше синхронной скорости.
Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0—100%. Если s~0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента; если s=1 — режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n2 = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.
Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 8% до 2%.
Преобразование энергии
Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию подаваемую на обмотки статора, в механическую (вращение вала ротора). Но входная и выходная мощность не равны друг другу так как во время преобразования происходят потери энергии: на трение, нагрев, вихревые токи и потери на гистерезисе. Это энергия рассеивается как тепло. Поэтому асинхронный электродвигатель имеет вентилятор для охлаждения.
Параметры асинхронного двигателя
При подборе таких машин, а также при дальнейшей их эксплуатации необходимо учитывать характеристики асинхронного двигателя. Они бывают энергетические — это коэффициент полезного действия, коэффициент мощности. Важно учитывать и механические показатели. Основным из них считается зависимость между скоростью вращения вала и рабочим усилием, прикладываемым к нему. Существуют ещё пусковые характеристики. Они определяют пусковой, минимальный и максимальный моменты и их соотношение. Важно также знать, каков пусковой ток асинхронного двигателя. Для наиболее эффективного использования двигателя необходимо учитывать все эти параметры.
Нельзя оставить без внимания вопрос энергосбережения. В последнее время он рассматривается не только с позиции уменьшения эксплуатационных затрат. Экономичность электродвигателей снижает уровень экологических проблем, связанных с производством электроэнергии.
Перед производителями постоянно ставятся задачи разработки и выпуска энергосберегающих двигателей, повышения эксплуатационного ресурса, уменьшения шумового уровня.
Улучшить энергосберегающие показатели можно путём снижения потерь при эксплуатации. А они напрямую зависят от рабочей температуры машины. Кроме того, совершенствование этой характеристики неизбежно приведёт к увеличению срока эксплуатации двигателя.
Снизить температуру обмоток можно, применяя вентилятор наружного обдува, закреплённый на хвостовике вала ротора. Но это приводит к неизбежному повышению шума, производимого двигателем при работе. Особенно ощутим этот показатель при высокой скорости вращения ротора.
Таким образом, видно, что асинхронный двигатель имеет один существенный недостаток. Он не способен поддерживать постоянную частоту вращения вала при возрастающих нагрузках. Зато такой двигатель имеет множество преимуществ по сравнению с образцами электродвигателей других конструкций.
Во-первых, он имеет надёжную конструкцию. Работа асинхронного двигателя не вызывает никаких сложностей при его использовании.
Во-вторых, асинхронный двигатель экономичен в производстве и эксплуатации.
В-третьих, эта машина универсальна. Имеется возможность её использования в любых устройствах, которые не требуют точного поддержания частоты вращения вала якоря.
В-четвёртых, двигатель с асинхронным принципом действия востребован и в быту, получая питание только от одной фазы.
Режимы работы
Электродвигатель асинхронного типа универсальный механизм и по продолжительности работы имеет несколько режимов:
- Продолжительный;
- Кратковременный;
- Периодический;
- Повторно-кратковременный;
- Особый.
Продолжительный режим – основной режим работы асинхронных устройств, который характеризуется постоянной работой электродвигателя без отключений с неизменной нагрузкой. Такой режим работы самый распространенный, используется на промышленных предприятиях повсеместно.
Кратковременный режим – работает до достижения постоянной нагрузки определенное время (от 10 до 90 минут), не успевая максимально разогреться. После этого отключается. Такой режим используют при подаче рабочих веществ (воду, нефть, газ) и прочих ситуациях.
Периодический режим – продолжительность работы имеет определенное значение и по завершении цикла работ отключается. Режим работы пуск-работа-остановка. При этом он может отключаться на время, за которое не успевает остыть до внешних температур и включаться заново.
Повторно-кратковременный режим – двигатель не нагревается максимально, но и не успевает остыть до внешней температуры. Применяется в лифтах, эскалаторах и прочих устройствах.
Особый режим – продолжительность и период включения произвольный.
В электротехнике существует принцип обратимости электрических машин — это означает, что устройство может, как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и совершать обратные действия.
Асинхронные электродвигатели тоже соответствуют этому принципу и имеют двигательный и генераторный режим работы.
Двигательный режим – основной режим работы асинхронного электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникает электромагнитный вращающий момент, увлекающий за собой ротор с валом и, таким образом, вал начинает вращаться, двигатель выходит на постоянную частоту вращения, совершая полезную работу.
Генераторный режим – основан на принципе возбуждения электрического тока в обмотках двигателя при вращении ротора. Если вращать ротор двигателя механическим способом, то на обмотках статора образуется электродвижущая сила, при наличии конденсатора в обмотках возникает емкостный ток. Если емкость конденсатора будет определенного значения, зависящего от характеристик двигателя, то произойдет самовозбуждение генератора и возникнет трехфазная система напряжений. Таким образом короткозамкнутый электродвигатель будет работать как генератор.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
Для регулирования частоты вращения асинхронных электродвигателей и управления режимами их работы существуют следующие способы:
- Частотный – при изменении частоты тока в электрической сети изменяется частота вращения электрического двигателя. Для такого способа применяют устройство, которое называется частотный преобразователь;
- Реостатный – при изменении сопротивления реостата в роторе, изменяется частота вращения. Такой способ увеличивает пусковой момент и критическое скольжение;
- Импульсный – способ управления, при котором на двигатель подается напряжение специального вида.
- Переключение обмоток по время работы электрического двигателя со схемы «звезда» на схему «треугольник», что снижает пусковые токи;
- Управление с изменения пар полюсов для короткозамкнутых роторов;
- Подключение индуктивного сопротивления для двигателей с фазным ротором.
С развитием электронных систем, управление различными электродвигателями асинхронного типа становится все более эффективным и точным. Такие двигатели используются в мире повсеместно, разнообразие задач, выполняемых такими механизмами, с каждым днем растет, и потребность в них не уменьшается.
Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.
Принцип, используемый газотурбинным двигателем, поскольку он обеспечивает силу для перемещения самолета, основан на законе количества движения Ньютона. Этот закон гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие; следовательно, если двигатель ускоряет массу воздуха (действие), он прикладывает силу к самолету (реакция). Турбореактивный двигатель создает тягу, давая относительно более медленное ускорение большому количеству воздуха. Старый чисто турбореактивный двигатель достигает тяги за счет передачи большего ускорения меньшему количеству воздуха.Это была его основная проблема с расходом топлива и шумом.
Масса воздуха увеличивается в двигателе за счет использования непрерывного цикла. Окружающий воздух поступает во впускной диффузор, где он подвергается изменениям температуры, давления и скорости из-за ударного действия. Затем компрессор механически увеличивает давление и температуру воздуха. Воздух под постоянным давлением поступает в секцию горелки, где его температура повышается за счет сгорания топлива. Энергия забирается из горячего газа за счет расширения через турбину, которая приводит в движение компрессор, и за счет расширения через выхлопное сопло, предназначенное для выпуска отработавшего газа с высокой скоростью для создания тяги.
Высокоскоростные газы из двигателя можно рассматривать как непрерывные, передавая эту силу на самолет, в котором он установлен, создавая таким образом тягу. Формула для тяги может быть получена из второго закона Ньютона, который гласит, что сила пропорциональна произведению массы и ускорения. Этот закон выражается формулой:
В приведенной выше формуле масса аналогична весу, но на самом деле это другая величина. Масса относится к количеству вещества, а вес относится к силе силы тяжести на это количество вещества.На уровне моря при стандартных условиях 1 фунт массы имеет вес 1 фунт. Чтобы вычислить ускорение данной массы, гравитационная постоянная используется как единица сравнения. Сила тяжести составляет 32,2 фута на секунду в квадрате (фут / сек2). Это означает, что свободно падающий объект весом 1 фунт ускоряется со скоростью 32,2 фута в секунду каждую секунду, когда на него действует сила тяжести. Поскольку масса объекта составляет 1 фунт, что также является фактической силой, сообщаемой ему гравитацией, можно предположить, что сила в 1 фунт ускоряет объект 1-1 со скоростью 32.2 фута / сек2.
Кроме того, сила в 10 фунтов ускоряет массу в 10 фунтов со скоростью 32,2 фута / сек2. Это предполагает отсутствие трения или другого сопротивления, которое необходимо преодолеть. Теперь очевидно, что отношение силы (в фунтах) к массе (в фунтах), поскольку ускорение в фут / сек2 равно 32,2. Используя M для представления массы в фунтах, формулу можно выразить следующим образом:
В любой формуле, включающей работу, необходимо учитывать фактор времени. Удобно иметь все временные факторы в эквивалентных единицах (т.е.е., секунды, минуты или часы). При расчете реактивной тяги удобно использовать термин «фунты воздуха в секунду», поскольку секунда — это та же единица времени, которая используется для силы тяжести.
Летный механик рекомендует
.Принцип работы поршневого двигателяВзаимосвязь между давлением, объемом и температурой газов является основными принципами работы двигателя. Двигатель внутреннего сгорания — это устройство для преобразования тепловой энергии в механическую. Бензин испаряется и смешивается с воздухом, нагнетается или втягивается в цилиндр, сжимается поршнем, а затем воспламеняется электрической искрой. Преобразование полученной тепловой энергии в механическую энергию, а затем в работу осуществляется в цилиндре.На рис. 1-35 показаны различные компоненты двигателя, необходимые для выполнения этого преобразования, а также представлены основные термины, используемые для обозначения работы двигателя.
Рисунок 1-35. Компоненты и терминология работы двигателя.Рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания включает в себя серию событий, необходимых для индукции, сжатия, воспламенения и горения, вызывающих расширение заряда топлива / воздуха в цилиндре, а также для удаления или выпуска побочных продуктов процесса сгорания.Когда сжатая смесь воспламеняется, образующиеся при сгорании газы расширяются очень быстро и заставляют поршень отодвигаться от головки блока цилиндров. Это движение поршня вниз, воздействующее на коленчатый вал через шатун, преобразуется коленчатым валом в круговое или вращательное движение. Клапан в верхней части или в головке цилиндра открывается, чтобы позволить сгоревшим газам уйти, а импульс коленчатого вала и гребного винта заставляет поршень возвращаться в цилиндр, где он готов к следующему событию в цикле.Затем открывается другой клапан в головке блока цилиндров, чтобы впустить свежую топливно-воздушную смесь. Клапан, позволяющий выпускать горящие выхлопные газы, называется выпускным клапаном, а клапан, впускающий свежую смесь топливно-воздушной смеси, называется впускным клапаном. Эти клапаны открываются и закрываются механически в нужное время с помощью механизма управления клапанами.
Отверстие цилиндра — это его внутренний диаметр. Ход — это расстояние, на которое поршень перемещается от одного конца цилиндра к другому, в частности от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), или наоборот.[Рисунок 1-35]
Летный механик рекомендует
.Принцип работы двигателя— скачать видео онлайн на ppt
Презентация на тему: «Принципы работы двигателя» — стенограмма презентации:
1
Принципы работы двигателя Двигатели малой мощности
2 Двигатель внутреннего сгорания
Это двигатель, в котором воздух и топливо сжигаются, а выделение этой энергии происходит внутри двигателя.Их работу можно разделить на компрессию, зажигание и карбюрацию. 
3 Четырехтактный цикл Четырехтактный
Четыре события в работе четырехтактного двигателя: впуск, сжатие, мощность и выпуск. Каждое событие происходит при линейном перемещении поршня, которое называется ходом. Каждый цикл событий завершается после двух оборотов коленчатого вала.
4
Четырехтактный цикл Первым событием в работе четырехтактного двигателя является такт впуска. В начале такта впуска, когда поршень движется вниз, впускной клапан начинает открываться. Это позволяет воздушно-топливной смеси течь в камеру сгорания над поршнем. Верхняя точка выступа кулачка впускного клапана на распределительном валу повернулась, чтобы открыть впускной клапан, а выпускной клапан удерживается закрытым с помощью пружины клапана.
5
Четырехтактный цикл Движение поршня вниз создает частичный вакуум в камере сгорания. Топливно-воздушная смесь из карбюратора устремляется в камеру сгорания до тех пор, пока впускной клапан открыт, а давление в цилиндре ниже, чем давление на выходе из карбюратора. В нижней части хода поршня, в нижней мертвой точке (НМТ) распределительный вал поворачивается до тех пор, пока выступ кулачка больше не удерживает впускной клапан в открытом состоянии, и клапан закрывается пружиной клапана.
6 Четырехтактный цикл Второе событие — это ход сжатия.
Во время такта сжатия впускной и выпускной клапаны закрыты, и поршень движется вверх, сжимая топливно-воздушную смесь. Верхняя точка хода называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Поршневые кольца образуют уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра, которое предотвращает утечку топливовоздушной смеси.
7 Четырехтактный цикл Третье событие — это рабочий ход.
Сжатие топливовоздушной смеси в камере сгорания увеличивает температуру смеси, облегчая воспламенение. Третье событие — это силовой удар. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Когда поршень приближается или находится в верхней части хода, искра проскакивает через зазор свечи зажигания, воспламеняя нагретую и сжатую воздушно-топливную смесь.
8 Четырехтактный цикл Четвертое событие — такт выпуска.
Топливная смесь горит быстро, и расширяющиеся газы создают давление во всех направлениях. Поршень движется вниз, что, в свою очередь, приводит к вращению коленчатого вала. Четвертое событие — такт выпуска. Когда поршень достигает нижней точки рабочего хода, импульс маховика и коленчатого вала перемещает поршень вверх по цилиндру.
9
Четырехтактный цикл Выпускной клапан открывается верхней точкой выступа кулачка выпускного клапана на распределительном валу. Впускной клапан удерживается закрытой пружиной клапана. Сгоревшие или отработанные газы вытесняются из камеры сгорания через выпускной клапан в выпускной канал. Когда поршень находится в верхней части своего хода в цилиндре, выпускной клапан закрывается. Один цикл мероприятий завершен.
10 Двухтактный цикл Двухтактный двигатель Первое событие:
Четыре события в работе двухтактного двигателя: впуск, сжатие, мощность и выпуск. Все эти события должны происходить, но во время каждого хода поршня происходит более одного события. Первое событие: воздушно-топливная смесь сжимается в камере сгорания.
11
Двухтактный цикл Искра перескакивает через свечной промежуток, воспламеняя топливовоздушную смесь.Это снова заставляет поршень опускаться в цилиндре. При движении поршня вниз сначала открывается выпускной канал, а затем впускной канал. Поступающая воздушно-топливная смесь вытесняет выхлопные газы через выхлопное отверстие. Это называется уборкой мусора. 
— Тяга
Используя приведенную ниже формулу, вычислите силу, необходимую для ускорения массы в 50 фунтов на 100 футов / сек2.
Это показывает, что если скорость массы в секунду увеличивается на 100, результирующая тяга составляет 155 фунтов.
Поскольку турбореактивный двигатель ускоряет воздух, для определения реактивной тяги можно использовать следующую формулу:
В качестве примера можно использовать формулу для изменения скорости массового воздушного потока в 100 фунтов в секунду с 600 футов / сек. до 800 футов / сек формулу можно применить следующим образом:
Как видно из формулы, если известны массовый расход воздуха в секунду и разница в скорости воздуха от впуска к выпуску, легко вычислить силу, необходимую для изменения скорости.Следовательно, тяга двигателя должна быть равна силе, необходимой для ускорения воздушной массы, проходящей через двигатель. Затем, используя символ «Fn» для фунтов тяги, формула принимает следующий вид:
Тяга газотурбинного двигателя может быть увеличена двумя способами: увеличивая массовый расход воздуха через двигатель или увеличивая скорость газа. Если скорость турбореактивного двигателя остается постоянной по отношению к летательному аппарату, тяга уменьшается, если скорость летательного аппарата увеличивается.Это потому, что значение V1 увеличивается. Однако это не представляет серьезной проблемы, поскольку по мере увеличения скорости воздушного судна в двигатель поступает больше воздуха и увеличивается скорость струи. Результирующая чистая тяга почти постоянна при увеличении скорости полета.
Цикл Брайтона — это название, данное термодинамическому циклу газотурбинного двигателя для создания тяги. Это цикл событий с переменным объемом и постоянным давлением, который обычно называют циклом постоянного давления. Более поздний термин — «цикл непрерывного сгорания».Четыре непрерывных и постоянных события — это впуск, сжатие, расширение (включая мощность) и выпуск. Эти циклы обсуждаются применительно к газотурбинному двигателю. В цикле всасывания воздух поступает при атмосферном давлении и постоянном объеме. Выходит из приема при повышенном давлении и уменьшении объема. В компрессорной секции воздух поступает из всасывающего отверстия при повышенном давлении, немного превышающем давление окружающей среды, и при небольшом уменьшении объема. Воздух поступает в компрессор, где сжимается.Он покидает компрессор с большим увеличением давления и уменьшением объема, создаваемым механическим действием компрессора. Следующий шаг, расширение, происходит в камере сгорания за счет сжигания топлива, которое расширяет воздух, нагревая его. Давление остается относительно постоянным, но имеет место заметное увеличение объема. Расширяющиеся газы движутся назад через узел турбины и преобразовываются турбиной из энергии скорости в механическую. Выпускная секция, которая представляет собой сужающийся канал, преобразует расширяющийся объем и понижающееся давление газов в конечную высокую скорость.Сила, создаваемая внутри двигателя для поддержания непрерывности этого цикла, имеет равную и противоположную реакцию (тягу) для перемещения самолета вперед.
Принцип Бернулли (всякий раз, когда скорость потока какой-либо жидкости увеличивается в данной точке, давление потока в этой точке меньше, чем у остальной части потока) применяется к газотурбинным двигателям за счет конструкции сходящихся и расходящихся воздушные каналы. Сходящийся канал увеличивает скорость и снижает давление. Расширяющийся канал снижает скорость и увеличивает давление.Для выхлопного сопла обычно используется принцип конвергенции. Дивергентный принцип используется в компрессоре и диффузоре, где воздух замедляется и сжимается.