Преимущества применения многоскоростных двигателей

Двигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки (стр. 1 из 3)

Муниципальное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №6

Реферат по физике на тему:

Двигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки.

Ученика 8 «А» класса

Учитель: Шульпина Таисия Владимировна

2.1.История создания двигателей внутреннего сгорания………………. Стр.4

2.2.Общее устройство двигателей внутреннего сгорания……………… Стр.7

2.2.1. Устройство двухтактного и четырехтактного двигателей

2.3.Современные двигатели внутреннего сгорания.

2.3.1. Новые конструкторские решения, внедренные в двигатель внутреннего сгорания;……………………………………………………………………Стр. 21

2.3.2. Задачи, которые стоят перед конструкторами……………………Стр.22

2.4. Преимущество и недостатки над другими типами двигателям внутреннего сгорания ……………………………………………………..Стр.23

2.5. Применение двигателя внутреннего сгорания..…………………….Стр.25

Проанализировать открытие и достижения ученых по вопросу изобретения и применения двигателя внутреннего сгорания (Д.В.С.), рассказать о его преимуществах и недостатках.

1.Изучить нужную литературу и отработать материал

2.Провести теоретические исследования (Д.В.С.)

3.Выяснить какие из (Д.В.С.) лучше.

2.1 .История создания двигателя внутреннего сгорания .

Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Исторически первый работающий двигатель внутреннего сгорания запатентованный в 1859 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром.(рис.№1)

У двигателя Ленуара низкий термический КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания у него была крайне низкая мощность, снимаемая с единицы рабочего объёма цилиндра.

Двигатель с 18-литровым цилиндром развивал мощность всего в 2 лошадиных силы. Эти недостатки были следствием того, что в двигателе Ленуара отсутствует сжатие топливной смеси перед зажиганием. Равномощный ему двигатель Отто (в цикле которого был предусмотрен специальный такт сжатия) весил в несколько раз меньше, и был гораздо более компактным.
Даже очевидные преимущества двигателя Ленуара — относительно малый шум (следствие выхлопа практически при атмосферном давлении), и низкий уровень вибраций (следствие более равномерного распределения рабочих ходов по циклу), не помогли ему выдержать конкуренцию.

Однако в процессе эксплуатации двигателей выяснилось, что расход газа на лошадиную силу составляет 3 куб/м. в час в место предполагавшегося ориентировочно 0,5 куб/м. Коэффициент полезного действия двигателя Ленуара составлял всего-навсего 3,3%, тогда как паровые машины того времени достигали к. п. д. 10%.

В 1876 г. Отто и Ланген выставили на второй Парижской всемирной выставке новый двигатель мощностью в 0,5 л.с.(рис.№2)

Рис.2 Двигатель Отто

Несмотря на несовершенство конструкции этого двигателя, напоминающего первые пароатмосферные машины, он показал высокую по тому времени экономичность; расход газа состовлял,82 куб/м. на лошадиную силу в час и к.п.д. составил 14%. За 10 лет для мелкой промышленности было изготовлено около 10000 таких двигателей.

В 1878 г. Отто построил по идее Боуде-Роша четырёхтактный двигатель. Одновременно с использованием газа в качестве топлива стала разрабатываться идея использования паров бензина, газолина, лигроина в качестве материала для горючей смеси, а с 90-х годов и керосина. Расход горючего в этих двигателях составлял около 0,5 кг на лошадиную силу в час.

С того времени двигатели внутреннего сгорания (Д.В.С.) изменились по конструкции, по принципу работы, используемых материалов при изготовлении. Двигатели внутреннего сгорания стали мощнее, компактней, легче, но все же в ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.

2. 2. Общее устройство двигателя внутреннего сгорания.

В основе работы каждого Д.В.С. лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов, которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей. При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку
будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.

Д.В.С., используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:

· выпуска отработавших газов;

Основные детали ДВС:

· головка блока цилиндров;

· распределительный вал с кулачками;

Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восемью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 3). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.

Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка. В цилиндре находится поршень цилиндрической формы — стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 4). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень. Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 5).

Рис. 3. Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:
а — четырехцилиндровые; б — шестицилиндровые; в — двенадцатицилиндровые (α — угол развала)

Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз.

Так тепловая энергия превращается в механическую.

1 — шатун в сборе; 2 — крышка шатуна;3 — вкладыш шатуна; 4 — гайка болта; 5 — болт крышки шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка шатуна; 8 — стопорные кольца; 9 — палец поршня; 10 — поршень; 11 — маслосъемное кольцо; 12, 13 — компрессионные кольца

Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 6).

1 — коленчатый вал; 2 — вкладыш шатунного подшипника; 3 — упорные полукольца; 4 — маховик; 5 — шайба болтов крепления маховика; 6 — вкладыши первого, второго, четвертого и пятого коренных подшипников; 7 — вкладыш центрального (третьего) подшипника

В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала.

Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз) (см. рис. 4).

Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ) (см. рис.4).

Расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.

Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ — это камера сгорания.

А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра. В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.

Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливовоздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

МНОГОСКОРОСТНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В статорах многоскоростных асинхронных двигателей применя­ют обмотки, которые могут быть включены на различное число по­люсов. Частота вращения двигателя изменяется при этом ступенчато, обратно пропорционально числу полюсов обмотки. Изменения числа полюсов двигателя можно достичь двумя путями: установкой в пазы статора двух независимых друг от друга обмоток, выполнен­ных на различные числа полюсов, или переключением схемы соединения катушечных групп одной обмотки. Обмотки, рассчитанные для такого способа переключения, называют полюсно-переключаемыми.

Укладка в статор двух независимых обмоток дает возможность получить любые соотношения между числами их полюсов и, следовательно, между частотами вращения двигателя. Недостатком такого способа является неполное использование объема паза статора, так как в пазы укладывают проводники двух обмоток, а двигатель работает на одной из них поочередно. Одна из обмоток во время ра­боты двигателя отключается от сети, и занятая ею часть объема паза не используется. Это приводит к увеличению размеров пазов и всего двигателя по сравнению с односкоростным той же мощности.

Способ изменения числа полюсов в полюсно-переключаемых обмотках основан на изменении направлений магнитных потоков в машине путем переключения схемы обмотки. На рис. 3.36, асхема­тично показано поперечное сечение статора и ротора двигателя и положение двух (7-й и 4-й) катушечных групп, принадлежащих пер­вой фазе двухполюсной обмотки. Стрелками отмечено направление магнитных силовых линий потока машины. На схеме соединения катушечных групп этой фазы также стрелками показано направле­ние обтекания их током, причем направление стрелки над катушеч­ной группой вправо соответствует направлению силовых линий по­тока от центра, а влево — к центру. На рис. 3.36, б такое же построение показано для четырех полюсной машины, одной фазе об­мотки которой принадлежат 1, 4, 7 и 10-якатушечные группы. При встречном включении катушечных групп, т. е. при принятой в обыч­ной двухслойной обмотке схеме, магнитное поле образует четыре полюса.

Рис. 3.36. Потоки в магнитопроводе и условные схемы обмоток:

а – с двумя катушечными группами при 2р = 2; б – с четырьмя катушечными

группами при 2р = 4; в – с двумя катушечными группами при 2р = 4

Такую же картину поля можно получить и при двух катуш­ках в одной фазе, если их включить не встречно, а согласно рис. 3.36, в. Сравнивая направления силовых линий потоков и схе­мы обмоток, видим, что изменение направления тока в половине катушечных групп двухслойной обмотки приводит к изменению числа ее полюсов в 2 раза.

На этом принципе построены двухскоростные полюсно-переключаемые обмотки, в которых числа полюсов изменяются в 2 раза. Двухскоростные обмотки выполняют с шестью выводами. При работе на одном числе полюсов три вывода подключают к сети, а три оставшихся в зависимости от схемы обмотки либо замыкают накоротко, либо оставляют свободными. Обозначения выводов многоскоростных обмоток согласно ГОСТ 26772—85 приведены в табл. 3.17.

Таблица 3.17 Обозначение выводов многоскоростных двигателей,

Дата добавления: 2020-11-04 ; просмотров: 2661 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

История создания и область применения асинхронных двигателей

Асинхронные машины

История создания и область применения асинхронных двигателей

В настоящее время асинхронные машины используются в основном в режиме двигателя. Машины мощностью больше 0.5 кВт обычно выполняются трёхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.

Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.

За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.

Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.

Режимы работы трёхфазной асинхронной машины

Асинхронная машина может работать в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тормоза.

Режим двигателя

Этот режим служит для преобразования потребляемой из сети электрической энергии в механическую.

Пусть обмотка статора создаёт магнитное поле, вращающееся с частотой n0 в указанном направлении (рис. 2.9). Это поле будет наводить согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора ЭДС. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки и показано на рисунке (силовые линии должны входить в ладонь, а большой палец нужно направить по направлению движения проводника, т.е. ротора, относительно магнитного поля). В обмотке ротора появится ток, направление которого примем совпадающим с направлением ЭДС. В результате взаимодействия обмотки ротора с током и вращающегося магнитного поля возникает электромагнитная сила F. Направление силы определяется по правилу левой руки (силовые линии должны входить в ладонь, четыре пальца – по направлению тока в обмотке ротора). В данном режиме (рис. 2.9) электромагнитная сила создаст вращающий момент, под действием которого ротор начнёт вращаться с частотой n. Направление вращения ротора совпадает с направлением вращения магнитного поля. Чтобы изменить направление вращения ротора (реверсировать двигатель), нужно изменить направление вращения магнитного поля. Для реверса двигателя нужно изменить порядок чередования фаз подведённого напряжения, т.е. переключить две фазы.

Пусть под действием электромагнитного момента ротор начал вращаться с частотой вращения магнитного поля (n=n0). При этом в обмотке ротора ЭДС E2 будет равна нулю. Ток в обмотке ротора I2=0, электромагнитный момент M тоже станет равным нулю. За счёт этого ротор станет вращаться медленнее, в обмотке ротора появится ЭДС, ток. Возникнет электромагнитный момент. Таким образом, в режиме двигателя ротор будет вращаться несинхронно с магнитным полем. Частота вращения ротора будет изменяться при изменении нагрузки на валу. Отсюда появилось название двигателя – асинхронный (несинхронный). При увеличении нагрузки на валу двигатель должен развивать больший вращающий момент, а это происходит при снижении частоты вращения ротора. В отличие от частоты вращения ротора частота вращения магнитного поля не зависит от нагрузки. Для сравнения частоты вращения магнитного поля n0 и ротора n ввели коэффициент, который назвали скольжением и обозначили буквой S. Скольжение может измеряться в относительных единицах и в процентах.

S=(n0−n)/n0 или S=[(n0−n)/n0]100%.

При пуске в ход асинхронного двигателя n=0,S=1. В режиме идеального холостого хода n=n0,S=0. Таким образом, в режиме двигателя скольжение изменяется в пределах:

Режим генератора

Этот режим служит для преобразования механической энергии в электрическую, т.е. асинхронная машина должна развивать на валу тормозной момент и отдавать в сеть электрическую энергию. Асинхронная машина переходит в режим генератора, если ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля (n>n0). Этот режим может наступить, например, при регулировании частоты вращения ротора.

Каждый электрик должен знать:  Ремонт светодиодной лампы своими руками видео с инструкцией

Пусть n>n0. При этом изменится (по сравнению с режимом двигателя) направление ЭДС и тока ротора, а также изменится направление электромагнитной силы и электромагнитного момента (рис. 2.10). Машина начинает развивать на валу тормозной момент (потребляет механическую энергию) и возвращает в сеть электрическую энергию (изменилось направление тока ротора, т.е. направление передачи электрической энергии).

Таким образом, в режиме генератора скольжение изменяется в пределах:

Цепь статора

а) ЭДС статора.

Магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, вращается относительно неподвижного статора с частотой n0=60f)/p и будет наводить в обмотке статора ЭДС. Действующее значение ЭДС, наводимой этим полем в одной фазе обмотки статора определяется выражением:

где: k1=0.92÷0.98 – обмоточный коэффициент;
f1=f – частота сети;
w1 – число витков одной фазы обмотки статора;
Φ – результирующее магнитное поле в машине.

б) Уравнение электрического равновесия фазы обмотки статора.

Это уравнение составлено по аналогии с катушкой с сердечником, работающей на переменном токе.

Здесь Ú и Ú1 – напряжение сети и напряжение, подведённое к обмотке статора.
R1 – активное сопротивление обмотки статора, связанное с потерями на нагрев обмотки.
x1 – индуктивное сопротивление обмотки статора, связанное с потоком рассеяния.
z1 – полное сопротивление обмотки статора.
İ1 – ток в обмотке статора.

При анализе работы асинхронных машин часто принимают I1z1=0. Тогда можно записать:

Из этого выражения следует, что магнитный поток Φ в асинхронной машине не зависит от её режима работы, а при заданной частоте сети f зависит только от действующего значения приложенного напряжения U1. Аналогичное соотношение имеет место и в другой машине переменного тока – в трансформаторе.

Цепь ротора

а) Частота ЭДС и тока ротора.

При неподвижном роторе частота ЭДС f2 равна частоте сети f.

При вращающемся роторе частота ЭДС ротора зависит от частоты вращения магнитного поля относительно вращающегося ротора, которая определяется соотношением:

Тогда частота ЭДС вращающегося ротора:

Частота ЭДС ротора изменяется пропорционально скольжению и в режиме двигателя имеет наибольшее значение в момент пуска в ход.

Пусть при f=50Гц, номинальное скольжение Sн=2%. Тогда при номинальной частоте вращения ротора f2=f×Sн=1Гц.

Таким образом, в обмотке ротора асинхронной машины частота наводимой ЭДС зависит от частоты вращения ротора.

б) ЭДС ротора.

При неподвижном роторе f2=f и действующее значение ЭДС определяется по аналогии с E1.

где: w2 и k2 – соответственно число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Если ротор вращается, то f2=f×Sн и ЭДС вращающегося ротора определяется соотношением:

ЭДС, наводимая в обмотке ротора, изменяется пропорционально скольжению и в режиме двигателя имеет наибольшее значение в момент пуска в ход.

Отношение ЭДС статора к ЭДС неподвижного ротора называется коэффициентом трансформации асинхронной машины.

k= E1 = w1k1 .
E2 w2k2

в) ток ротора.

Запишем уравнение равновесия для одной фазы короткозамкнутого ротора.

При неподвижном роторе.

где: x2=2πfL2 – индуктивное сопротивление обмотки неподвижного ротора, связанное с потоком рассеяния;
R2 – активное сопротивление обмотки ротора, связанное с потерями на нагрев обмотки.

При вращающемся роторе.

где: x2S=2πf2L2=2πfL2S=x2S – индуктивное сопротивление обмотки вращающегося ротора.

Для тока ротора в общем случае можно получить такое соотношение:

Отсюда следует, что ток ротора зависит от скольжения и возрастает при его увеличении, но медленнее, чем ЭДС.

г) поле ротора

Обмотка ротора, как и обмотка статора, является многофазной и при появлении в ней тока создаёт своё вращающееся магнитное поле. Обозначим через n2 частоту вращения магнитного поля ротора относительно ротора.

Здесь p – число пар полюсов обмотки ротора, оно всегда равно числу пар полюсов обмотки статора.

Относительно статора магнитное поле ротора вращается с частотой

Из полученного соотношения следует, что магнитное поле ротора относительно статора вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Таким образом, магнитные поля ротора и статора относительно друг друга неподвижны. Поэтому при анализе работы асинхронной машины можно применить те же соотношения, что и трансформаторе.

Ток статора

Так как результирующее магнитное поле асинхронной машины не зависит от её режима работы, можно составить для одной фазы уравнение магнитодвижущих сил, приравняв магнитодвижущую силу в режиме холостого хода к сумме магнитодвижущих сил в режиме нагрузки.

Здесь I0 – ток в обмотке статора в режиме идеального холостого хода, I’2=−I2(w2k2)/(w1k1) – составляющая тока статора, которая компенсирует действие магнитодвижущей силы обмотки ротора. Полученное выражение для тока статора отражает свойство саморегулирования асинхронной машины. Чем больше ток ротора, тем больше ток статора. В режиме холостого хода ток статора минимальный. В режиме нагрузки ток статора возрастает. Ток реального холостого хода асинхронной машины I0=(20÷60)%I1н и значительно больше по сравнению с номинальным током, чем у трансформатора. Это объясняется тем, что величина тока I0 зависит от магнитного сопротивления среды, в которой создаётся магнитное поле. У асинхронной машины, в отличие от трансформатора, есть воздушный зазор, который создаст большое сопротивление магнитному полю.

Прямое включение в сеть

Это самый простой и самый дешевый способ пуска. На двигатель вручную или с помощью дистанционного управления подается номинальное напряжение. Прямое включение в сеть допускается, если мощность двигателя не превышает 5% от мощности трансформатора, если от него питается и осветительная сеть. Ограничение по мощности объясняется бросками тока в момент пуска, что приводит к снижению напряжения на зажимах вторичных обмоток трансформатора. Если от трансформатора не питается осветительная сеть, то прямое включение в сеть можно применять для двигателей, мощность которых не превышает 25% от мощности трансформатора.

Изменение скольжения

Этот способ используют в приводе тех механизмов, где установлены асинхронные двигатели с фазным ротором. Например, в приводе подъемно-транспортных машин. В цепь фазного ротора вводится регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления ротора не влияет на величину критического момента, но увеличивает критическое скольжение (рис. 2.21).

На рис. 2.21 приведены механические характеристики асинхронного двигателя при разных сопротивлениях регулировочного реостата Rр3>Rр2>0,Rр1=0.

Как следует из рис. 2.21 при этом способе можно получить большой диапазон регулирования частоты вращения в сторону понижения. Основные недостатки этого способа:

  1. Из-за больших потерь на регулировочном реостате снижается коэффициент полезного действия, т.е. способ неэкономичный.
  2. Механическая характеристика асинхронного двигателя с увеличением активного сопротивления ротора становится мягче, т.е. снижается устойчивость работы двигателя.
  3. Невозможно плавно регулировать частоту вращения.

Из-за перечисленных недостатков этот способ применяют для кратковременного снижения частоты вращения.

Изменение числа пар полюсов

Эти двигатели (многоскоростные) имеют более сложную обмотку статора, позволяющую изменять ее число пар полюсов, и короткозамкнутый ротор. При работе асинхронного двигателя необходимо, чтобы обмотки ротора и статора имели одинаковое число пар полюсов. Только короткозамкнутый ротор способен автоматически приобретать то же число пар полюсов, что и поле статора. Многоскоростные двигатели нашли широкое применение в приводе металлорежущих станков. Нашли применение двух, трех и четырех скоростные двигатели.

На рис. 2.22 показана схема соединения и магнитное поле статора двигателя при последовательном (б) и параллельном (а) соединении полуобмоток.

У двухскоростного двигателя обмотка каждой фазы состоит из двух полуобмоток. Включая их последовательно или параллельно можно в 2 раза изменять число пар полюсов.

У четырехскоростного двигателя на статоре должно размещаться две независимые обмотки с разным числом пар полюсов. Каждая из обмоток позволяет в два раза изменять число пар полюсов. Например, у двигателя, работающего от сети c частотой f=50 Гц, со следующими частотами вращения 3000/1500/1000/500 [об/мин] с помощью одной из обмоток статора можно получить частоту вращения 3000 об/мин и 1500 об/мин (при этом p=1 и p=2). С помощью другой из обмоток можно получить частоту вращения 1000 об/мин и 500 об/мин (при этом p=3 и p=6).

При переключении числа пар полюсов изменяется и магнитный поток в зазоре, что приводит к изменению критического момента Mкр (рис. 2.23.б). Если при изменении числа пар полюсов одновременно изменять и подведенное напряжение, то критический момент может остаться неизменным (рис. 2.23.а). Поэтому при этом способе регулирования могут быть получены два вида семейства механических характеристик (рис. 2.23).

Достоинства этого способа регулирования: сохранение жесткости механических характеристик, высокий К.П.Д. Недостатки: ступенчатое регулирование, большие габариты и большая стоимость двигателя.

Генераторное торможение

Машина переходит в режим генератора, если n>n0, т.е. если ротор вращается быстрее магнитного поля. Этот режим может наступить при регулировании скорости вращения увеличением числа пар полюсов или уменьшением частоты источника питания, а также в подъемно-транспортных машинах при опускании груза, когда под действием силы тяжести груза ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля.

В режиме генератора изменяется направление электромагнитного момента, т.е. он становится тормозным, под действием чего происходит быстрое снижение скорости вращения. Одновременно изменяется фаза тока в обмотке статора, что приводит к изменению направления передачи электрической энергии. В режиме генератора происходит возврат энергии в сеть.

На рис. 2.25 представлены механические характеристики при генераторном торможении за счет опускания груза (а) и понижении частоты источника питания (б).

Пусть двигатель с заданной нагрузкой на валу работал в точке A (рис. 2.25.а). Если под действием опускаемого груза ротор начнет вращаться быстрее магнитного поля и рабочая точка попадает в точку B, то nв>n0, машина будет развивать тормозной момент и частота вращения снизится до величины меньшей n0. Одно из достоинств генераторного торможения у асинхронных машин заключается в том, что переход в режим генератора происходит автоматически, как только ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля. Это защищает асинхронные двигатели от аварийной ситуации, которая может наступить у двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели не могут пойти в разнос. Максимальная частота вращения ротора ограничивается частотой вращения магнитного поля.

Пусть двигатель работает с заданной нагрузкой на валу в точке A характеристики 1 (рис. 2.25.б). При снижении частоты источника питания рабочая точка должна перейти в точку C характеристики 2. Но если nА окажется больше новой пониженной частоты вращения магнитного поля n02, то машина из точки A переходит в точку B, работая на участке B–n02 в режиме генератора. За счет этого происходит быстрое снижение частоты вращения. На участке n02–C машина работает в режиме двигателя, но происходит дальнейшее уменьшение частоты вращения ротора, пока вращающий момент не станет равным моменту нагрузки (т. C). Новое состояние равновесия с заданной нагрузкой наступает в точке C. Генераторное торможение является самым экономичным режимом, т.к. происходит преобразование механической энергии в электрическую и возврат энергии в сеть. Одним из достоинств этого тормозного режима является его самопроизвольное появление, т.е. не требуется никакая контролирующая аппаратура.

Динамическое торможение

Этот тормозной режим используется для точной остановки мощных двигателей. На время торможения обмотка статора отключается от сети переменного напряжения и подключается и источнику с постоянным напряжением. При этом обмотка статора будет создавать постоянное неподвижное магнитное поле. При вращении ротора относительно этого магнитного поля изменяется направление ЭДС и тока ротора, что приведет к изменению направления электромагнитного момента, т.е. он станет тормозным. Под действием этого момента происходит торможение. Изменяя величину подведенного к обмотке статора напряжения, можно регулировать время торможения. Основным достоинством этого тормозного режима является точная остановка. Постоянное напряжение можно подводить к обмотке статора только на время торможения. После остановки двигатель нужно отключить от сети постоянного тока.

На рис. 2.26 показаны схемы включения асинхронного двигателя и механические характеристики при динамическом торможении.

Пусть двигатель работает с нагрузкой в точке A. При подаче на обмотку статора постоянного напряжения рабочая точка перейдет из точки A в точку B тормозной характеристики 2.

Под действием тормозного электромагнитного момента будет происходить снижение частоты вращения до полной остановки (точка 0).

Основные недостатки динамического торможения: необходим источник постоянного тока и неэкономичность.

Асинхронные машины

История создания и область применения асинхронных двигателей

В настоящее время асинхронные машины используются в основном в режиме двигателя. Машины мощностью больше 0.5 кВт обычно выполняются трёхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.

Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.

За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.

Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.

Преимущества и недостатки асинхронных двигателей

Электрические двигатели — устройства, преобразовывающие электроэнергию, получаемую из распределительных сетей, в механическую энергию вращения. В состав любого двигателя входят следующие элементы: корпус для защиты от попадания пыли и влаги, неподвижная часть (статор), жестко прикрепленная к корпусу, неподвижные обмотки и магнитопроводы, часть, которая вращается (ротор). Ротор насаживается на вал, вращаемый в двух подшипниковых узлах. Конец выходит наружу, имеет канавку, где закрепляются шкивы или шестерные привода.

Узлы подшипников располагаются в пределах двух съемных крышек, закрывающих корпус с торцов, стягиваются между собой с помощью длинных шпилек (трех-четырех). В задней части вала размещена крыльчатка вентилятора, который обдувает и охлаждает обмотки.

Конструкция таких устройств отличается удобством обслуживания и проведения ремонта — их легко разобрать и собрать.

Асинхронные двигатели бывают однофазными и трехфазными. Первые применяются преимущественно до мощности 2,2 кВт. Ограничение действует из-за большого пускового и рабочего тока. Принцип действия одинаковый, но у однофазных более низкий пусковой момент.

Работа трехфазных электродвигателей

Самое главное достоинство трехфазной системы электроснабжения состоит в том, что создается электрическое поле, имеющее способность вращаться. Если на неподвижном статоре располагаются три обмотки с магнитомягкими (материалы, способны с легкостью перемагничиваться) сердечниками, а в дальнейшем происходит подача напряжения последовательно от каждой из фаз, то сердечники постепенно намагничиваются от поступающего тока и создают магнитное поле, перемещающееся в пределах окружности.

Асинхронный трехфазный электродвигатель применяется в разных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Скорость вращения магнитного поля в статоре можно легко снизить, используя чисто конструктивные методы, к примеру, увеличив число обмоток на окружности вдвое (из трех до шести).

Асинхронные двигатели

Изобретатель М. О. Доливо-Добровольский придумал, как можно усовершенствовать двигатель избавившись от коллекторов, имеющих ряд недостатков. Так, он предложил обмотку ротора выполнять в виде короткозамкнутых витков, ток в которых будет заводить переменное магнитное поле статора. Внешне такое решение представляет собой два кольца, соединенных между собой поперечными проводниками, — «бельчье колесо». Такой устройство еще называется двигателем с короткозамкнутым ротором.

Принцип действия примерно следующий: при запуске переменное поле статора возбудит в проводниках сильный ток, что приведет к намагничиванию сердечника ротора, он будет притянут статорными магнитами и начнет вращение. Чтобы ток стабильно появлялся в замкнутых витках, необходимы постоянные колебания магнитного поля, поэтому ротор вращается медленнее магнитного поля. Именно от такого «запаздывания» двигатели начали называть асинхронными, а разница вращений — скольжение.

Каждый электрик должен знать:  Слабое напряжение в квартире - что делать

Скольжение является переменной величиной. При запуске оно достигает максимальных значений, постепенно уменьшаясь и достигая минимальных значений на холостом ходу (примерно 3%). Если есть нагрузка на вал, скольжение пропорционально увеличивается и возрастает вместе с нагрузками (около 7%).

Особенности трехфазных асинхронных двигателей

Конструкция этого типа оказалась настолько удачной, что большинство электроприводов всего мира производятся на базе трехфазных асинхронных устройств, имеющих короткозамкнутый ротор. Они имеют ряд преимуществ, в частности, обладают:

  • Исключительной простотой, надежностью и долговечностью;
  • Удобством обслуживания и ремонта;
  • Возможностью изменять направление вращения ротора. Для это нужно всего лишь переключить два любые фазные провода;
  • Возможностью работы в качестве генератора: при применении электромагнитного торможения мотор начнет отдавать энергию в сеть.

Простота переключения фазных проводов может быть как преимуществом, так и недостатком. Производя замену силового кабеля, нужно особое внимание уделять оборудованию, запомнить, как оно ранее было подключено. Делая монтаж, следует обязательно перепроверить на запасном двигателе фазировку проводов, ведь оборудование может запросто выйти из строя, если сделана неверная фазировка.

Слабые стороны асинхронного трехфазного двигателя:

  • Значительный пусковой ток, превышающий номинальный примерно в 5 раз. Это значит, что нужно устанавливать защитные автоматы двигателей только класса D.
  • Малый момент на валу при запуске. При значительной инерции понадобится двигатель большей мощности.

Большинство используемых электрических двигателей являются асинхронными, имеющими короткозамкнутый ротор.

Их широкое применение в первую очередь обуславливается следующими преимуществами:

  • — простотой конструкции;
  • — простотой в обслуживании и эксплуатации;
  • — низкой стоимостью и высокой надёжностью;

Что касается недостатков, то такие модели имеют:

  • — малый пусковой и большой спусковой ток;
  • — чувствительны к изменениям параметров в сети;
  • — для плавного регулирования скорости требуется преобразователь частоты;
  • — асинхронные двигатели из электросети потребляют реактивную мощность. Предел их применения определяется мощностью системы электроснабжения определённого предприятия;
  • — большинство пусковых токов при малой мощности системы могут создавать значительные понижения напряжения;
  • — для уменьшения пусковых токов необходимо использовать преобразователь частоты или устройство с плавным пуском.

При использовании двигателей с фазным ротором можно снизить пусковой ток, тем самым увеличить пусковой момент, благодаря введению пусковых реостатов в цепь ротора.

Однако, из-за усложнённой конструкции и увеличения стоимости применение данных электродвигателей ограничено. В основном их применяют как приводы механизмов с тяжёлыми пусковыми условиями.

Системы, которые имеют ступенчатое изменение скорости, такие как лифты, лучше всего работают на многоскоростных асинхронных двигателях.

Механизмы, которые требуют остановку на некоторое время и фиксацию вала при исчезновении напряжения питания, такие как лебёдки или металлообрабатывающие станки работают на асинхронных двигателях с электромагнитным тормозом.

Асинхронные двигатели подразделяются на два вида, одни имеют короткозамкнутый ротор, вторые – фазный. Большинство используемых электрических двигателей являются асинхронными, имеющими короткозамкнутый ротор. Их широкое применение в первую очередь обуславливается простотой в обслуживании, эксплуатации, простотой конструкции, низкой стоимостью и высокой надежностью. Что касается недостатков, то такие модели имеют малый пусковой и большой спусковой ток, чувствительны к изменениям параметров в сети, для плавного регулирования скорости понадобиться преобразователь частоты.

Помимо этого асинхронные двигатели из сети потребляют реактивную мощность. Предел их применения определяется мощностью системы электроснабжения определенного предприятия. Большинство пусковых токов при малой мощности системы могут создавать значительные понижения напряжения.

При использовании двигателей с фазным ротором можно снизить пусковой ток, тем самым увеличить пусковой момент, благодаря введению пусковых реостатов в цепь ротора. Правда, из-за усложненной конструкции и увеличения стоимости применение данных электродвигателей ограничено. В основном их применяют как приводы механизмов с тяжелыми пусковыми условиями. Чтобы уменьшить пусковые токи асинхронного двигателя, который имеет короткозамкнутый ротор, необходимо использовать преобразователь частоты или устройство с плавным пуском.

Системы, которые имеют ступенчатое изменение скорости, такие как лифты, лучше всего работают на многоскоростных асинхронных двигателях. Механизмы, которые требуют остановку на некоторое время и фиксацию вала при исчезновении напряжения питания, работают на асинхронных двигателях с электромагнитным тормозом, такие как лебедки или металлообрабатывающие станки.

Высокомоментных двигателей

Следующим шагом в развитии приводной техники стало появление высокомоментных двигателей вращательного движения, применение которых позволило вообще исключить механический редуктор из состава электроприводов постоянного тока, работающих на низких скоростях.

Высокомоментными называются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и электронной коммутацией обмоток, которые допускают многократную перегрузку по моменту. Для определения положения полюсов на роторе вентильного ВМД устанавливают дополнительные технические средства (например, датчики Холла, индуктивные и фотоэлектрические датчики). Обычно высокомоментные двигатели (ВМД) устойчиво работают на частотах вращения 0.1-1 1/мин, которые типичны для металлорежущих станов и промышленных роботов.

Основные преимущества ВМД определяются отсутствием в приводе редуктора:

— снижение материалоемкости, компактность и модульность конструкции;

— повышенные точностные характеристики привода благодаря отсутствию зазоров;

— исключение трения в механической трансмиссии позволяет существенно уменьшить погрешности позиционирования и нелинейные динамические эффекты на ползучих скоростях;

— повышение резонансной частоты.

ВМД выпускаются в настоящее время коллекторного и вентильного (иногда используется термин «безщеточного», либо «бесконтактного») типов.

Основные преимущества вентильных двигателей по сравнению с коллекторными:

— высокая надежность, большой срок службы, минимальные затраты на обслуживание (вследствие исключения искрения и износа щеток);

— улучшенные тепловые характеристики (так как тепло рассеивается на обмотках статора, а на роторе тепловыделяющие элементы отсутствуют), отсюда возможность использования проводов малого сечения;

— высокое быстродействие за счет высокого соотношения развиваемый момент/ момент инерции ротора;

— большая перегрузочная способность по моменту (типично Ммах/Мно,, = 8 ) в широком диапазоне регулирования скорости;

— близкие к линейным механические и регулировочные характеристики.

По сравнению с синхронными двигателями вентильные ВМД позволяют регулировать скорость вращения с помощью обратной связи, частота вращения не зависит от напряжения питания, нет проблемы выпадения из синхронизма.

Основной недостаток вентильных двигателей — наличие дорогостоящих магнитов и блока управления коммутацией обмоток, отсюда пониженный показатель мощность/цена и повышенные габариты. В современных модификациях эта проблема решается путем построения этих блоков на базе относительно дешевых интегральных микросхем.

В состав современных мехатронных модулях движения на основе ВМД обязательно входят также датчики обратной связи и иногда управляемые тормоза, что позволяет отнести такие ММД ко второму поколению. В качестве датчиков наиболее часто применяются фотоимпульсные датчики (инкодеры), тахогенераторы, резольверы и кодовые датчики положения. Принципиально важно, что модуль «двигатель-датчик» имеет единый вал, что позволяет сочетать высокие технические параметры и низкую стоимость.

Также модули данного типа могут применяться в нетрадиционных транспортных средствах: электромобилях, электровелосипедах, инвалидных колясках и т.п.

Использование вентильных двигателей (ВМД) позволяет заменить традиционную пару двигатель-механический преобразователь одним высокомоментным двигателем, исключив таким образом избыточный преобразователь. Пример мехатронного модуля движения на базе ВМД показан на рис.3.17. ВМД применяется здесь для вращения пово­ротного стола, который предназначен для позиционирования деталей при обработке на фрезерных, сверлильных и расточных станках .

Рис.3.17 Поворотный стол на базе высокомоментного двигателя:

1 – основание; 2 – поворотный стол; 3 – упорные подшипники; 4 – электродвигатель; 5 – ротор; 6 – планшайба; 7 – датчик положения; 8 – датчик скорости; 9 – гидротормоз.

Модуль состоит из основания 1 и собственно поворотного стола 2, опирающегося на упорные подшипники 3, встроенного электродвигателя 4, ротор 5 которого скреплен с планшайбой б, датчика положения 7, датчи­ка скорости 8 и гидротормоза 9, обеспечивающего фиксацию планшайбы в нужном положении. Безредукторное совмещение ротора электродвигателя и планшайбы позволяет полностью исключить люфт, увеличить точность позициони­рования стола и расширить его технологические возможности. При этом упрощается конструкция стола, уменьшается число деталей, повышается жесткость.

Группой «Мехатроника» в Санкт-Петербурге освоено производство мехатронных поворотных столов серии ПМС диаметром 200-1250 мм, с точностью позиционирования до 3″, максимальной частотой вращения до 12 мин -1 , максимальным моментом до 2500 Н·м.

Расстояние между компьютером верхнего уровня управле­ния и контроллерами интеллектуальных модулей может достигать не­скольких сотен метров. Обмен информацией и управляющими команда­ми между этими устройствами осуществляется через высокоскоростную компьютерную сеть.

Мехатронный модуль движения (ММД) — конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую электрическую (электромеханическую) и информационную части которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями. По сравнению с МД в состав мехатронного модуля движения входит встроенное информационное уст­ройство. Информационное устройство включает датчики обратной связи и информации, а также электронные блоки для обработки и преобразования сигналов. Примерами таких датчиков являются фото­импульсные датчики (энкодеры), дающие информацию о скорости дви­жения и угловом перемещении , оптические линейки, вращающиеся трансформаторы и т.д.

ММД состоит из следующих частей:

Электродвигатель – электротехнический преобразователь электрической энергии в механическую.

Механический преобразователь – устройство, преобразующее параметры движения двигателя в требуемые параметры выходного звена.

В состав механического преобразователя входят:

Преобразователь движения (передача) – механизм, предназначенный для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и выходного звена мехатронного модуля.

Тормозное устройство – устройство, предназначенное для уменьшения скорости подвижного звена, останова и удержания его в неподвижном состоянии (может отсутствовать).

Люфтовыбирающий механизм – устройство, предназначенное для выборки зазора (мертвого хода) в некоторых видах преобразователей движения (может отсутствовать).

Информационное устройство – устройство, преобразующее контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также воздействия им на управляемые процессы.

Мехатронные модули движения (ММД) являются функциональными “кубиками”, из которых затем можно компоновать сложные мехатронные системы.

При этом главным признаком, отличающим ММД от общепромышленного электропривода, является введение электродвигателя в узел машины: электрошпиндель, мотор-шпиндель, электромеханизм линейного перемещения инструментов головки, поворотный глобусный или координатный стол, мотор-колесо и т.п.

Основную номенклатуру ММД, на основе которых в настоящее время создаются производственные машины и транспортные средства нового поколения, можно подразделить на четыре группы:

1. Высокооборотные модули с максимальной частотой вращения от 9 000 до 250 000 мин -1 и мощностью от 0,1 до 30 кВт для металлорежущих станков, деревообрабатывающих машин, станков для сверления печатных плат, компрессоров и т.д. В этих модулях используются воздушные и электромагнитные подшипники. Основные преимущества выпускаемых электрошпинделей на магнитных подшипниках:

— отсутствие механических контактов и, как следствие, износа;

— возможность использования более высоких (по сравнению с традиционными конструкциями) скоростей;

— небольшая вибрация, отсутствие трения и снижение тепловых потерь;

— возможность изменения жесткости и демпфирующих характеристик системы;

— возможность работы в вакууме и вредных средах;

2. Низкооборотные модули с максимальной частотой вращения от 4 до 300 мин -1 , моментом от 10 до 2500 Η·м и точностью позиционирования до 3″ для поворотных столов станков, измерительных машин, оборудования для электронного машиностроения, узлов роботов и многоцелевых инструментальных головок.

3. Модули линейного движения с усилием от 10 до 5000 Η и скоростью до 32 м/с для приводов металлорежущих станков, промышленных роботов и измерительных машин, а также для запирающих устройств газо- и нефтепроводов.

4. Цифровые электроприводы с бесколлекторными синхронным и асинхронным двигателями мощностью до 10 кВт с моментом от 1 до 40 Η·м и высоким отношением момента к массе для приводов подачи высокопроизводительных станков и роботов, текстильных и деревообрабатывающих машин, приводов вентиляторов, насосов и т.д. Блок управления такими приводами создается на базе силовых интеллектуальных схем и встраивается в корпус или клеммную коробку электродвигателя.

Еще большие возможности применения ММД имеют машины нетрадиционной компоновки: обрабатывающие и измерительные машины на основе так называемой платформы Стюарта и мехатронных поворотных столов.

Главной особенностью современного этапа развития мехатронных модулей является интеллектуализация процессов управления их функциональными движениями. По сути речь идет о разработке принципиально нового поколения модулей, в которых осуществлена интеграция всех трех компонент — электромеханической, электронной и компьютерной.

Дата добавления: 2015-08-11 ; просмотров: 2256 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Вопрос 33: Проеектирование приводов главного движения с использованием многоскоростных электродвигателей.

Особенности применения многоскоростных электродвигателей, электродвигателей постоянного тока и вариаторов в приводе станков. В приводе главного движения и подач различных металлорежущих станков применяют, как указывалось выше, многоскоростные электродвигатели, двигатели постоянного тока, а также вариаторы. В случае применения указанных двигателей и передач в приводе станков, при определении основных технических характеристик и при разработке кинематической схемы станка необходимо учитывать некоторые их особенности.

Многоскоростные электродвигатели. В станках используют двух-, трех- и четырехскоростные электродвигатели, причем у одних электродвигателей частоты вращения изменяются при переключении полюсов в два раза (например, nсинхр = 750/1500, 1500/3000, 750/1500/3000 об/мин), у других — в другом отношении (например, псинхр = 750/1000/1500, 500/1000/1500/3000, 500/750/1000/1500 об/мин).

Для получения на станках геометрического ряда частот вращения (чисел двойных ходов, подач) можно применять только электродвигатели с удваивающейся частотой вращения, на которые ориентирован выбор стандартных значений . Не нарушая геометрического ряда, можно использовать только ф = 1,06; 1,12; 1,26; 1,41; 2, так как ф= V/2. Электродвигатели, у которых частоты вращения изменяются не в два раза, не могут быть ļдвойных ходов) и величины подач находят путем подбора
(с некоторым отклонением от геометрического ряда). При применении в приводе станка многоскоростного электродвигателя и коробки скоростей число ступеней скорости

где у — число ступеней электродвигателя; т = КЕ2 — число ступеней коробки; К — целое число.

Так как уК = , то число ступеней скорости z должно быть ратным числу Е2, а частное должно делиться на 2 или 3 соответственно числу ступеней скорости выбранного электродвигателя. Например, при z = 24 и φ = 1,12 Е2 = 6 и уК = =4 , т.е. возможны два решения:

Четырехскоростных электродвигателей с удваивающейся частотой вращения нет. Таким образом, только при определенны; сочетаниях z, φ, y может быть сохранен геометрический ряд частот вращения шпинделя (чисел двойных ходов) и подач. В случае применения многоскоростного электродвигателя его рассматривают как электрогруппы с числом передач РЭ характеристикой хэ и знаменателем ряда φ э = 2. Следовательно, вариант структурной формулы будет иметь следующий вид:

Характеристика электрогруппы (для возможности получения геометрического ряда) хэ = Е2 = , поэтому при φ = 2 хэ = Е2 = 1, Рэ — основная группа; при φ = 1,41 хэ = Е2 = 2, э — первая переборная группа; при φ = 1,26 хэ = Е2 == 3,Рэ — первая переборная группа; при φ = 1,12 хэ = 6, Рэ
вторая переборная группа; при φ = 1,06 хэ 2 = 12, Рэ -вторая и последующие переборные группы.

Если электрогруппа Рэ не является основной, то хэ == Р1 P2…,т. е. равна произведению чисел передач групп, кинематически предшествующих электрогруппе. Например, при двухскоростном электродвигателе и структурной формуле z = 24 = 2*3*2*2
и при φ = 1,12 3 = Е2 = 6) возможны только следующие варианты:

z = 24 = 2[6]*3 [2]*2 [12]*2 [1].

На рис. 48 показан график частот вращения привода с двухскоростным электродвигателем для варианта структурной формулы z = 24 = 2 [6]*3 [1]*2 [3]*2 [12]. Порядок построения

графика частот вращения такой же, как и при односкоростном электродвигателе.

Вопрос 34: Проектирование приводов главного движения с
использованием вариаторов.

Существует большое разнообразие конструкций и типов фрикционных вариаторов. Для
фрикционных рабочих поверхностей обычно используют конические тела или поверхности с
круговыми образующими. На рис. 147 показаны типовые схемы вариаторов. Наиболее
распространен метод передачи движения через промежуточное звено, что расширяет диапазон
регулирования. Промежуточное звено может быть жестким, выполненным в виде кольца,
ролика или шарика, или гибким в виде специального ремня или цепи.

Каждый электрик должен знать:  Источники помех в электрических сетях

Начальное касание контактирующих тел осуществляется по линии или в точке. В первом
случае возникают меньшие контактные напряжения, но создаются условия для относительного
кинематического скольжения. Величина скольжения сильно зависит от принятой схемы.

На рис. 147 все вариаторы разбиты на соответствующие шесть групп. В качестве примеров
приведены: вариатор с конусами и стальным промежуточным кольцом, которое перемещается
вдоль образующих а, вариатор системы ЦНИИТМАШа б, торовый вариатор с поворотными
роликами в, шариковый вариатор г, вариатор с двумя парами раздвижных конусов и специальным
ремнем д или с шариковой цепью е в качестве промежуточного звена; конусные вариаторы без
промежуточного звена ж, з.

Рассмотрим конструктивное оформление некоторых вариаторов.

Распространенной отечественной конструкцией является торовый вариатор системы
ЦНИИТМАШа (В. А. Светозарова), схема работы которого показана на рис. 147, б. Две чашки 2 и
4 имеют торовые поверхности, образованные вращением дуги радиусом R вокруг оси 1 и 5. Три
промежуточных ролика 3 имеют рабочий поясок, выполненный также по радиусу R для
обеспечения контакта по линии. При повороте роликов относительно осей 0 и Oi из меняются
радиусы, по которым происходит контакт роликов и чашек и, следовательно, изменяется
передаточное отношение вариатора.

Для передачи крутящего момента необходимо прижатие чашек и роликов. Начальное
прижатие осуществляется двумя пружинами, а для увеличения этой силы по мере роста крутящего
момента в данном вариаторе, как и в некоторых других типах, применяется специальное
шариковое прижимное устройство. Крутящий момент от вала к чашке передается через шарики 7
и шайбы 6, имеющие канавки со скосами. Одна шайба соединена с валом, другая — с чашкой. При
росте крутящего момента шарики перемещаются по скосам канавки и, раздвигая шайбы, создают
дополнительное прижатие чашек к роликам. Таким образом, автоматически создается
необходимое усилие прижатия, которое увеличивается с ростом передаваемого крутящего
момента.

Преимуществом вариатора системы ЦНИИТМАШа является малое относительное скольжение
на контактных поверхностях роликов и чашек, так как при любом положении роликов
касательная, проведенная к дуге в зоне контакта, проходит через точку пересечения осей вращения
ролика и чашки или в непосредственной близости от нее. Это условие соответствует совпадению
окружных скоростей чашек и роликов.

Конструктивное оформление такого вариатора показано на рис. 148. Для поворота роликов
предусматривается специальное устройство. ЦНИИТМАШ разработал нормальный ряд торовых
вариаторов с диапазоном регулирования Дот 3 (наиболее крупный типоразмер) до 6,25 и с
передаваемой мощностью от 1,7 до 20 кет. К. п. д. в зависимости от качества выполнения
передачи равен 0,92—0,98. Большое влияние на работоспособность вариатора оказывает качество
его изготовления и сборки, а также выбор материалов для фрикционных тел. Хорошие показатели
получаются при применении текстолитовых роликов и стальных закаленных чашек. Вариатор
этого типа можно применять для токарных, револьверных и других станков.

Применение вариаторов, у которых рабочие тела имеют начальный контакт в точке,
позволяет избежать относительного проскальзывания и во многих случаях может значительно
улучшить эксплуатационные характеристики вариаторов.

В качестве промежуточных тел применяют шарики, устанавливаемые в шариковом вариаторе
(см. рис. 147, г). Между ведущей 1 и ведомой 3 чашками с коническими рабочими поверхностями
помещены шарики 2 (обычно их 4 шт.), которые поддерживаются и прижимаются к чашкам
направляющими роликами 4 (их также 4 шт.). Передаточное отношение зависит от того, вокруг
какой оси вращается шарик. Так как точка касания шариков с чашками постоянна, то
передаточное отношение зависит от расстояния от точки касания до оси вращения
шарика.

Направление оси вращения шариков зависит от положения поддерживающих роликов.
Повертывая их, можно изменять величину передаточного отношения. Конструкция
шарикового вариатора показана на рис. 149. Направляющие ролики находятся в червячных
колесах с общим червяком. При повороте червяка изменяется положение оси роликов и,
следовательно, передаточное отношение вариатора. Управление вариатором производится
через валик червяка, проходящий через левый приводной вал. Шариковые вариаторы имеют
большой диапазон регулирования — до 20, но при больших значениях передаточных
отношений к. п. д. заметно падает. Передаваемая мощность обычно не превышает 3—4 кет.

Широкое применение получили вариаторы с двумя парами раздвижных конусов и п
промежуточным звеном, выполненным в виде специального ремня, стального кольца (см. рис. 60),
шариковой цепи или цепи с пластинками.

Расчёт вариаторов. В приводах станков иногда удобно применять вариаторы. При небольшом диапазоне регулирования частот вращения (чисел двойных ходов) и подач используют только вариаторы, если же требуемый диапазон больше диапазона бес­ступенчатого регулирования, то вариаторы комбинируют с шестеренными коробками (рис. 49, б) и в этом случае диапазон регулирования привода

Построение графика частот вращения при комбинации вариа­тора с коробкой скоростей аналогично ранее изложенному.

Особые структуры привода станка могут быть нескольких вариантов.

Электродвигатели двухскоростные

Двухскоростные электродвигатели серии АИС — предназначены для привода механизмов, требующих ступенчатого регулирования частоты вращения.
Двигатели широко используются в промышленных и сельскохозяйственных отраслях:для привода станков, металлургии, химической промышленности и т.д. Преимуществами электродвигателей являются высокая производительность, высокий пусковой момент, низкий уровень шума, низкий уровень вибрации.

Степень защиты — IP54. Двигатели выпускаются со следующими высотами оси вращения: 80, 90, 100, 112, 132, 160, 180.

Габаритные, установочные и присоединительные размеры многоскоростных электродвигателей соответствуют односкоростным, на базе которых они изготовлены. Двух скоростные электромоторы отличаются от основного исполнения обмоткой статора, и в некоторых случаях — формой пазов ротора и длиной сердечников.

В обозначении двухскоростных двигателей дополнительно указывается количество полюсов, соответствующие частотам вращения.

Синхронный двигатель — достоинства и недостатки

Наибольшее распространение такая машина как синхронный двигатель получила в промышленности, где есть электроприводы, работающие на постоянных скоростях. Например, компрессоры с мощными двигателями, приводы насосов. Также синхронный двигатель является неотъемлемой частью и многих бытовых приборов, например, он есть в часах.

Принцип действия этой машины достаточно прост. Взаимодействие вращающегося магнитного поля якоря, создаваемого переменным током, и магнитных полей на полюсах индуктора, создаваемых постоянным током, и лежит в основе принципа работы такого электрического устройства как синхронный двигатель. Обычно индуктор расположен на роторе, а якорь – на статоре. Мощные двигатели в качестве полюсов используют электромагниты. Но есть и маломощный тип — синхронный двигатель с постоянными магнитами. Главное отличие синхронных машин от асинхронных — конструкция статора и ротора.

Для разгона двигателя до уровня номинальной скорости часто используют асинхронный режим. В этом режиме обмотка индуктора накоротко замкнута. После того как двигатель выходит на номинальную скорость, выпрямитель питает постоянным током индуктор. Только в номинальной скорости синхронный двигатель может самостоятельно работать.

Такой двигатель имеет массу достоинств. Он на порядок сложнее асинхронной машины, однако это компенсируется рядом преимуществ. Один из главных плюсов — его возможность работать без потребления или отдачи реактивной энергии. При этом коэффициент мощности двигателя будет равен единице. При таких условиях синхронный двигатель переменного тока будет нагружать сеть исключительно активной составляющей. Побочным эффектом будет уменьшение габаритов двигателя (у асинхронного двигателя обмотка статора рассчитывается и на активный, и на реактивный токи). Однако синхронный двигатель может вырабатывать и реактивную энергию, работая в режиме перевозбуждения.

Синхронный электродвигатель гораздо менее чувствителен к скачкам и перепадам напряжения в сети. Также такие электрические машины имеют более высокую устойчивость к перегрузкам. За счет повышения токов возбуждения можно увеличить перегрузочную способность двигателя. Плюсом работы с синхронной машиной является также и постоянная номинальная скорость вращения при любой нагрузке (кроме перегрузок).

Несомненно, у такой машины как синхронный двигатель есть и свои слабые места. Они связаны с повышенными затратами и сложной эксплуатацией. Основной проблемой является процесс возбуждения электродвигателя и введения его в синхронизм. В настоящее время нашли распространение тиристорные возбудители, которые имеют гораздо более высокий коэффициент полезного действия, чем электромашинные возбудители. Однако их стоимость существенно выше. С помощью тиристорного коммутатора можно решить многие вопросы: оптимальное регулирование токов возбуждения, поддержка постоянного значения косинуса фи, контроль над напряжением на шинах, регулирование токов статора и ротора в аварийных режимах и при перегрузках.

Преимущества применения многоскоростных двигателей

Технические науки / Энергетика

Альметьевский государственный нефтяной институт

Повышение энергоэффективности нефтедобывающих станков-качалок нефти с применением вентильных электродвигателей вращательного движения

При эксплуатации нефтяных месторождений широко применяется добыча нефти с помощью скважинных штанговых насосных установок (СШНУ). В России такими установками оснащено около 60% всех действующих скважин. Простота обслуживания и надежность СШНУ, а также возможность их применения в осложненных горно-геологических условиях вывели этот способ добычи на ведущее место в нефтедобывающей отрасли и сделали его самым распространенным способом добычи нефти, как в нашей стране, так и за рубежом. В основу этого способа положено использование насоса возвратно-поступательного действия, опускаемого в скважину и приводимого в движение приводом, расположенным на поверхности. С учетом современных требований энергоресурсосбережения все более актуальной становится задача улучшения энергетических характеристик нефтедобывающего оборудования

В настоящее время в СШНУ широко применяют привод на основе нерегулируемого асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором. Основным достоинством асинхронного электродвигателя является простота его конструкции, надежность и невысокая стоимость. Однако такой электропривод (ЭП) обладает рядом существенных недостатков:

— сложная кинематическая схема, обусловленная необходимостью преобразования высокоскоростного вращательного движения в возвратно-поступательное движение с низкой скоростью;

— невысокие энергетические показатели ЭП в совокупности с механизмом (КПД, cosφ );

— отсутствие регулирования частоты вращения, что не позволяет выбрать оптимальный режим работы;

— необходимость периодического обслуживания механизмов ЭП (редуктор, ремень);

— большие габаритные и масса.

В последнее время в связи с достижением в области высокоэнергетических постоянных магнитов, а также полупроводниковой силовой и микропроцессорной техники появились новые более эффективные бесконтактные вентильные двигатели (ВД) с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов [1]. Основными преимуществами ЭП на базе вентильных электродвигателей по сравнению с АД являются:

— весьма высокая кратковременная перегрузочная способность по моменту, достигающая 5-10 кратного значения от номинального;

— более высокие энергетические показатели ( cosφ =1, η=0,85÷0,98);

— существенно меньшие масса и габариты.

Для оценки конкретных преимуществ применения ВД по сравнению с АД обратимся к динамограммам СШНУ. Динамограмма СШНУ представляет собой зависимость нагрузки на полированный шток от его положения. На рисунке 1 а представлен пример такой динамограммы, полученной на действующем оборудовании. Характер динамограммы определяется такими факторами, как длина хода полированного штока, действующие на него усилия, глубина спуска насоса, диаметр насоса, число качаний в единицу времени [2]. Динамограмма позволяет определить гидростатические нагрузки на плунжер, а также диагностировать состояние и характер нарушений в погружном оборудовании. Дополнительные сведения о работе СШНУ могут быть получены из ваттметрограммы, пример которой, совмещенной с соответствующей ей динамограммой, развернутой во времени, представлен на рисунке 1 б. Преимущества ваттметрограмм для анализа энергетических показателей оборудования приведены в работе [3].

Из динамограммы, рисунок 1 б [3], видно, что в течение одного цикла работы СШНУ нагрузка на штоке меняется ориентировочно от 35 до 55 кН, т.е. в ≈1,6 раза. Из соответствующей ей ваттметрограммы следует, что потребляемая АД мощность при этом изменяется от 1,6 до 11,25 кВт, т.е. в 7 раз. При максимальной потребляемой мощности 11,25 кВт в приводе СШНУ для обеспечения запаса по максимальному моменту использовался АД номинальной мощностью 18 кВт. Для обеспечения необходимой перегрузочной способности АД следует выбирать завышенной номинальной мощности, ориентировочно в 1,5 ÷ 2 раза.

Рисунок 1 – Контроль работы СШНУ
а) динамограмма, б) ваттметрограмма, совмещённая с развёрнутой динамограммой

Особенность применения ВД в приводах СШНУ состоит, прежде всего, в том, что его номинальная мощность может быть в 2 ÷ 3 раза меньше чем у АД при обеспечении одной и той же перегрузочной способности по моменту. Для наглядности в таблице 1 сопоставлены некоторые характеристики серийно выпускаемых асинхронных и вентильных двигателей.

Из таблицы 1, например, следует, что ВД 5ДВМ 165М имеет номинальную мощность в 2 раза и номинальный момент в 1,65 раза меньше, чем АД 4А100 L4. В то же время максимальный момент в режиме пятикратной перегрузки у ВД 5ДВМ 165М составляет 85 Нм, это выше, чем у АД 4А100 L4. Энергетический КПД у 5ДВМ 165М на 22% выше, чем у 4А100L4.

Таблица 1. Технические характеристики серийных электродвигателей

Многоскоростные двигатели в промышленных электроприводах

Книга название: Многоскоростные двигатели в промышленных электроприводах
Автор: А.М. Харитонов
Год печати: 1971
Кол-во страниц: 97
Формат: Djvu

Асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором являются в настоящее время основным видом электропривода во всем мире. Скорость вращения ротора асинхронного электродвигателя можно .регулировать двумя путями: изменением скольжения; изменением скорости вращения магнитного поля. Изменение скольжения возможно лишь при наличии момента сопротивления, приложенного к валу двигателя, и достигается включением резисторов (сопротивлений) в цепь статора или ротора, причем обычно применяемое включение резисторов в цепи ротора возможно лишь для двигателей с фазовым ротором. При таком регулировании скорости велики потери электроэнергии, а также скорость вращения сильно зависит от момента нагрузки по валу двигателя. Изменение же скорости вращающегося магнитного поля асинхронных двигателей может быть осуществлено двумя способами: изменением частоты сети и изменением числа полюсов обмотки двигателя. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей изменением частоты возможно при наличии специальной сети или специальных преобразователей, частота тока в которых может изменяться плавно или ступенями. В зависимости от этого плавно или ступенчато изменяется скорость вращения двигателей.

В электроприводах общего применения регулирование скорости вращения асинхронных короткозамкнутых двигателей путем изменения числа полюсов обмотки получило самое широкое распространение, так как по сравнению с регулированием скорости изменением частоты оно осуществляется более простыми способами. В асинхронных двигателях число полюсов магнитного поля и их расположение определяются полностью электрической схемой обмотки статора. Изменения числа полюсов можно достичь двумя путями. Расположив в пазах статора асинхронного двигателя отдельные независимые друг от друга обмотки с различными числами полюсов, можно, подключая к сети ту или другую обмотку, получить соответствующие скорости вращения ротора двигателя. Вторым путем является секционирование одной статорной обмотки. В асинхронных двигателях с одной статорной обмоткой изменение скорости вращения двигателя достигается путем определенного пересоединения обмотки, называемого \»переключением полюсов обмотки\». Таким образом, применяя одну или несколько отдельных статорных обмоток, получают двигатель с несколькими определенными скоростями вращения ротора — многоскоростной двигатель. Наряду с возможностью получать несколько различных скоростей вращения в многоскоростном двигателе сохраняются все достоинства короткозамкнутого асинхронного электродвигателя, обеспечившие последнему преобладающее применение в промышленности.

Схемы обмоток. Переключатели полюсов. Обычно многоскоростные двигатели имеют две, три или четыре различные скорости вращения. В большинстве случаев многоскоростные двигатели выполняются с короткозамкнутым ротором, так как при выполнении многоскоростного двигателя с фазным ротором потребовался бы дополнительный переключатель полюсов для переключения обмотки ротора. Статорная обмотка многоскоростного двигателя обычно представляет собой двухслойную обмотку переменного тока с выводами на переключатель полюсов. Такая обмотка ничем не отличается от обычных статорных обмоток двигателей переменного тока, и выполнение ее в процессе производства двигателей не представляет трудности. Полезная мощность многоскоростного двигателя с несколькими отдельными обмотками значительно уменьшается по сравнению с мощностью оцнообмоточного многоскоростного двигателя, выполненного на том же сердечнике. Поэтому хотя в принципе возможно изготовить многоскоростные двигатели с несколькими отдельными обмотками, на практике многоскоростпые двигатели с числом отдельных обмоток больше двух не встречаются.

Добавить комментарий