Полифазный дизайн двигателя

Полифазный дизайн двигателя

Видео: Ted на русском. Почему мы спим? Russell Foster I TED 2021, Август

Полифазный дизайн двигателя

Глава 10 — Многофазные цепи переменного тока

Возможно, самым важным преимуществом многофазного переменного тока в однофазном режиме является проектирование и эксплуатация двигателей переменного тока. Как мы изучили в первой главе этой книги, некоторые типы двигателей переменного тока практически идентичны по конструкции своим генераторам (генераторам), состоящим из стационарных обмоток провода и узла вращающегося магнита. (Другие конструкции двигателей переменного тока не так уж просты, но мы оставим эти детали на другом уроке).

Если вращающийся магнит способен поддерживать частоту переменного тока, возбуждающего обмотки электромагнита (катушки), он будет продолжать вращаться по часовой стрелке. (Рисунок выше) Однако по часовой стрелке это не единственное правильное направление вращения вала двигателя. Его можно так же легко приводить в движение против часовой стрелки тем же сигналом переменного напряжения a на рисунке ниже.

Обратите внимание, что с той же последовательностью циклов полярности (напряжения, тока и магнитных полюсов, создаваемых катушками) магнитный ротор может вращаться в любом направлении. Это общая черта всех однофазных двигателей «индукции» и «синхронного» переменного тока: они не имеют нормального или «правильного» направления вращения. Естественный вопрос должен возникнуть на этом этапе: как двигатель может начать работу в намеченном направлении, если он может работать в любом случае так же, как и «# 02188.png»> ниже)

Эти дополнительные катушки обычно соединены последовательно с конденсатором, чтобы ввести фазовый сдвиг в токе между двумя наборами обмоток. (Figurebelow)

Фазовый сдвиг конденсатора добавляет вторую фазу.

Этот сдвиг фаз создает магнитные поля из катушек 2a и 2b, которые в равной степени не соответствуют шагам с полями от катушек 1a и 1b. Результатом является набор магнитных полей с определенным вращением фазы. Именно это вращение фазы тянет вращающийся магнит в определенном направлении.

Многофазные двигатели переменного тока не требуют такого обмана, чтобы вращаться в определенном направлении. Поскольку их сигналы напряжения питания уже имеют определенную последовательность вращения, то и соответствующие магнитные поля генерируются стационарными обмотками двигателя. Фактически, комбинация всех трех фазных обмоточных множеств, работающих вместе, создает то, что часто называют вращающимся магнитным полем . Именно эта концепция вращающегося магнитного поля вдохновила Никола Теслу на разработку первых в мире многофазных электрических систем (просто для создания более простых и эффективных двигателей). Потенциал тока и безопасность преимуществ многофазной мощности над однофазной мощностью были обнаружены позже.

То, что может быть запутанной концепцией, делается гораздо яснее по аналогии. Вы когда-нибудь видели ряд мигающих лампочек, таких как вид, используемый в рождественских украшениях «# 02190.png»> ниже)

Последовательность фаз 1-2-1-2: лампы, по-видимому, перемещаются.

Когда все лампочки «1» подсвечиваются, лампочки «2» темные, и наоборот. С этой мигающей последовательностью нет определенного «движения» света ламп. Ваши глаза могли следовать «движению» слева направо так же легко, как справа налево. Технически, мигающие последовательности ламп «1» и «2» являются 180 o не в фазе (точно напротив друг друга). Это аналогично однофазному двигателю переменного тока, который может работать так же легко в любом направлении, но не может запускаться сам по себе, потому что его чередование магнитного поля не имеет определенного «поворота».

Теперь давайте рассмотрим цепочку огней, в которой есть три набора луковиц, которые нужно секвенировать, а не только два, и эти три набора одинаково не соответствуют фазе друг с другом в Figurebelow.

Последовательность фаз: 1-2-3: луковицы, как представляется, перемещаются влево-вправо.

Если последовательность освещения составляет 1-2-3 (последовательность, показанная в (Рисунок выше)), луковицы будут отображаться «перемещаться» слева направо. Теперь представьте эту мигающую струну луковиц, расположенных в круг, как показано на рисунке ниже.

Круговое расположение; Кажется, что луковицы вращаются по часовой стрелке.

Теперь огни в Figabove выглядят «движущимися» по часовой стрелке, потому что они расположены вокруг круга вместо прямой. Неудивительно, что появление движения будет отменено, если фазовая последовательность ламп будет отменена.

Мигающий шаблон будет либо появляться, либо перемещаться по часовой стрелке или против часовой стрелки в зависимости от последовательности фаз. Это аналогично трехфазному двигателю переменного тока с тремя наборами обмоток, питаемых источниками напряжения трех разных фазовых сдвигов на рисунке ниже.

Трехфазный двигатель переменного тока: последовательность фаз 1-2-3 вращает магнит по часовой стрелке, 3-2-1 вращает магнит против часовой стрелки.

При фазовых сдвигах менее 180 o мы получаем истинное вращение магнитного поля. При однофазном двигателе вращающееся магнитное поле, необходимое для самозапуска, должно создаваться посредством емкостного сдвига фазы. С многофазными двигателями необходимые фазовые сдвиги уже существуют. Кроме того, направление вращения вала для многофазных двигателей очень легко отменяется: просто замените любые два «горячих» провода, идущих на двигатель, и он будет работать в противоположном направлении!

• ОБЗОР:
• Двигатели переменного тока «индукция» и «синхронные» работают с помощью вращающегося магнита, следуя переменным магнитным полям, создаваемым стационарными проволочными обмотками.
• Однофазные электродвигатели переменного тока этого типа нуждаются в помощи для начала вращения в определенном направлении.
• Путем введения фазового сдвига менее 180 o в магнитные поля в таком двигателе может быть установлено определенное направление вращения вала.
• Однофазные асинхронные двигатели часто используют вспомогательную обмотку, соединенную последовательно с конденсатором для создания необходимого фазового сдвига.
• Полифазные двигатели не нуждаются в таких мерах; их направление вращения фиксируется фазовой последовательностью напряжения, на котором они питаются.
• Переключение любых двух «горячих» проводов на многофазном двигателе переменного тока изменит свою последовательность фаз, тем самым изменив направление вращения вала.

Что такое многофазный двигатель

На сегодняшний день в области электроприводов наиболее перспективными считаются частотно-регулируемые (инверторные) приводы переменного тока (как асинхронные, так и синхронные) в силу целого ряда преимуществ перед электроприводами других типов. В настоящее время разработке инверторных электроприводов переменного тока с повышенной кратностью пускового момента посвящено большое количество работ. Например, известен многофазный электропривод переменного тока, в котором высокая кратность пускового момента может быть достигнута за счет изменения схемы подключения фазных обмоток статора электродвигателя к фазам автономного инвертора с помощью соответствующего блока, осуществляющего механическую коммутацию фаз [1]. Недостатком данного устройства является наличие в его составе дополнительного элемента — блока механической коммутации фазных обмоток статора двигателя, что приводит к усложнению системы привода, увеличению его массогабаритных показателей и ухудшению надежности.

Кроме того, к разработкам в названной выше области относится многофазный асинхронный инверторный электропривод, в котором высокая кратность пускового момента достигается за счет применения фазно-полюсного управления асинхронным двигателем (АД), сущность которого заключается в том, что в случае его использования изменение скорости вращения ротора достигается за счет повышения в определенное число раз с помощью блока управления вентильными элементами инвертора (преобразователя частоты) величины фазовых смещений между напряжениями (токами) соседних фаз многофазного инвертора (а тем самым и двигателя) без какого либо изменения частоты названных напряжений и токов; при этом наблюдается эффект, адекватный увеличению числа пар полюсов электродвигателя, сопровождающийся увеличением критического и пускового моментов двигателя [2-9]. Поскольку реализация названного управления требует обязательного обеспечения гальванической независимости друг от друга всех пазов статора (в противном случае при использовании фазно-полюсного управления двигатель будет иметь недопустимо низкий КПД), то в этом электроприводе применяется двигатель со стержневой обмоткой статора (обладающей чрезвычайно малыми значениями индуктивности и активного сопротивления), при использовании которой обеспечивается указанная гальваническая независимость пазов статора. Стержни этой обмотки представляют собой отдельные фазы статора двигателя, размещаются в пазах статора и подключаются к соответствующим фазам преобразователя частоты через многофазный понижающий трансформатор. В такой системе число стержней обмотки статора определяет число фаз электродвигателя и преобразователя частоты. Недостатком данной системы является обязательное наличие в системе электропривода понижающего трансформатора, коэффициент трансформации которого в зависимости от мощности привода может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен, что обуславливает высокие массогабаритные показатели, как самого трансформатора, так и электропривода в целом.

В связи с этим представляется актуальной разработка системы асинхронного инверторного электропривода, обладающей не только улучшенными пусковыми характеристиками, но и более высокой надежностью и меньшими массогабаритными показателями (в частности, за счет исключения из состава названной системы понижающего трансформатора с высоким значением коэффициента трансформации), чем описанные выше электроприводы. Ниже описан один из возможных вариантов такой электромеханической системы.

Поставленная выше цель достигается в разработанной системе тем, что многофазный АД, регулирование скорости которого осуществляется за счет фазно-полюсного управления (другой вариант названия — «pm-управление»), питающийся от преобразователя частоты и имеющий число фаз более пяти, оснащается магнитной системой, которая выполняется следующим образом: массивный ферромагнитный ротор имеет в сечении Ш-образную форму и состоит из внутренней и внешней частей, жестко соединенных механически, имеющих гладкие поверхности и охватывающих статор снаружи и изнутри; шихтованный магнитопровод статора состоит из двух полых цилиндрических частей, вставленных одна в другую и отделенных друг от друга полой цилиндрической диамагнитной (например, медной) гильзой, и имеет два ряда пазов — внутренний и наружный; каждая из многовитковых фазных обмоток статора укладывается в два паза — в один внутренний и в один наружный, ближайший к внутреннему в радиальном направлении, и подключается напрямую к соответствующей фазе преобразователя частоты, минуя понижающий трансформатор; в целом многофазная обмотка статора — тороидального типа; АД имеет два основных рабочих воздушных зазора.

Использование многовитковых фазных обмоток асинхронного двигателя, число витков в которых (как и в обмотках двигателей традиционного типа, например, серии 4А) равно нескольким десяткам и более, позволяет исключить из системы электропривода понижающий трансформатор и, тем самым, значительно уменьшить массогабаритные показатели привода по сравнению со случаем, когда применяется двигатель с многостержневой обмоткой статора. При этом в указанной системе не используются никакие устройства, осуществляющую механическую коммутацию каких-либо конструктивных элементов системы, а фазно-полюсное управление многофазным электродвигателем реализуется только за счет соответствующего изменения с помощью системы управления преобразователем частоты моментов отпирания и запирания силовых вентильных элементов преобразователя.

Описанная выше многофазная тороидальная обмотка статора позволяет (как и в случае стержневой обмотки) осуществить гальваническую независимость пазов статора (отдельно во внутреннем и отдельно в наружном ряду пазов), которая необходима для обеспечения возможности реализации фазно-полюсного управления в таком многофазном асинхронном инверторном электроприводе.

В разработанной системе электропривода фазные обмотки статора асинхронного электродвигателя подключаются напрямую к фазам преобразователя частоты, питание которого может осуществляться как от трехфазной, так и от однофазной сети переменного тока или от источника постоянного тока. Понижающий трансформатор между преобразователем частоты и электродвигателем отсутствует. Фазные обмотки статора подключаются к общей точке, соединенной по схеме «звезда». Общая точка звезды может быть соединена с нулевой точкой вторичной обмотки входного трансформатора преобразователя частоты нулевым проводом. Магнитопровод статора вместе с диамагнитной гильзой крепится к корпусу электродвигателя болтовыми соединениями.

В процессе работы двигателя магнитное поле, возбуждаемое элементами фазных обмоток, расположенных в наружных пазах статора, создает вращающий момент в наружной части Ш-образного ротора, а поле, возбуждаемое элементами обмоток, расположенных во внутренних пазах статора, создает момент во внутренней части ротора. В торцевой части статора, отделенной от ротора воздушным зазором, лобовыми частями фазных обмоток статора также создается вращающееся магнитное поле, проникающее в ротор и тоже создающее дополнительный крутящий момент.

Диамагнитная гильза препятствует наложению и взаимной компенсации в обоих воздушных зазорах магнитных полей, создаваемых внешним и внутренним рядами пазов статора.

Список литературы

Исследование состояния российского рынка многофазных электродвигателей и перспективы их развития до 2025 года

Рубрика: Экономика и управление

Дата публикации: 30.11.2017 2017-11-30

Статья просмотрена: 1621 раз

Библиографическое описание:

Ахметшин, Э. Р. Исследование состояния российского рынка многофазных электродвигателей и перспективы их развития до 2025 года / Э. Р. Ахметшин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 48 (182). — С. 55-60. — URL: https://moluch.ru/archive/182/46803/ (дата обращения: 28.08.2021).

Представлена информация по обзорному изучению за период 2013–2016г.г и перспективе развития многофазных электродвигателей в России и мире до 2025 года. Рассмотрены ведущие производители многофазных электродвигателей в России и мире, перспективы развития в современных условиях. Проведен анализ двух видов многофазных электродвигателей, отражены особенности их применения. С помощью аналитических данных методом сравнения показателей определён спрос и прогноз потребления многофазных двигателей на период до 2025 года.

Целью настоящего обследования является исследование рынка многофазных электродвигателей в России, обзорный анализ мирового рынка и импорта замещения для выявления динамичного перспективного развития.

Задачи исследования: оценить состояние российского рынка многофазных электродвигателей, выделить стержневые тенденции на потребительском рынке, представить актуальную информацию об объёмах производства номенклатурной продукции по годам. Описать структуру и динамику российского экспорта и импорта. Определить объем российского потребительского рынка многофазных электродвигателей и перспективы развития на период до 2025 года.

Ключевые слова: многофазный, двигатель, переменный, ток, электродвигатель, мощность, асинхронный

Самой важной базовой отраслью промышленности России является электроэнергетика. Её движение вперёд обуславливает совершенствование всего народного хозяйства страны и уровень развития научно — технического прогресса. Электроэнергетика проникла во все области деятельности населения планеты. Прежде всего: наш быт! Конечно же, в сельское хозяйство, промышленность, науку, космос. Во многих областях труд человека заменён работой электрическими машинами, которые заставляют работать электродвигатели. Электродвигатели имеют масштабное распространение во всех сферах нашей жизни. Они используются в бытовой технике: холодильниках, соковыжималках, вентиляторах и прочем бытовом хозяйстве. В оборудовании погрузо-разгрузочной работы: всевозможных грузовых лебёдок. Кроме того, применение находят на промышленных предприятиях: строительном электрическом инструменте, сверлильных установках, деревообрабатывающих станках, мешалках бетона и прочих устройствах, используемых в производстве. Таким образом, электроэнергетика породила электротехническое производство. Электротехническое производство развивается в России с огромной скоростью, и значимую роль играет в машиностроительном комплексе отечественной промышленности.

На современном этапе наиболее распространенные среди электрических двигателей переменного тока получили асинхронные электродвигатели с многофазной симметричной обмоткой на статоре, которые питаются от сети переменного тока. Каждая часть обмотки генератора называется фазой. Генераторы, которые имеют обмотку, состоящую из многих частей, называют многофазными. Такую широкую популярность многофазные электродвигатели получили из-за своей простоты конструкции и высокой эксплуатационной надежности. У многофазных асинхронных двигателей отслеживается снижение пульсаций момента и скорости на валу двигателя, увеличение надёжности при уменьшенных уровнях шума и вибрации. Дробление электрической мощности по фазам делает регулировочные характеристики асинхронных двигателей несколько критичными к асимметрии по полярному углу и фазе питающего напряжение, что с увеличением числа фаз, в результате упрощает систему управления и значительно повышает надёжность. Системы электропривода с многофазными асинхронными двигателями реализуются при использовании преобразователя частоты с несколькими автономными инверторами напряжения, создающего симметричную систему напряжений, имеющую временный сдвиг, равный пространственному сдвигу фаз многофазных двигателей. Многофазные асинхронные двигатели создаются на базе серийных трехфазных электродвигателей основного применения. Иногда это реализуется при наличии в трехфазных двигателях несколько параллельных ветвей. Уменьшая их число, получаем многофазную модификацию (вдвое — шестифазная, втрое — девятифазная и далее). При этом геометрия активной части, число витков в фазе и сечение обмоточного провода не изменяется.

Многофазные регулируемые асинхронные двигатели находят своё применение в медицинской и бытовой технике, электромобиле строение, текстильной промышленности, системах электродвижения судов. Перспективное направление в использование многофазных двигателей предполагается в оборудовании, требующего наиболее повышенную надёжность двигателя причем при низкой вибрации и незначительном уровне шума. Например: в специальных вентиляционных системах и комплексах, автомобилестроении.

Производители в России электродвигателей переменного тока многофазных: электромашиностроительный концерн «Русэлпром», в состав которого входят несколько научно-исследовательских центров и производственных предприятий: производственный комплекс «Владимировский электромоторный завод», НПП «Русэлпром-Электромаш», инженерный центр «Русэлпром», НПО «Ленинградский электромашиностроительный завод», «Русэлпром-Сафоновский электромашиностроительный завод», ПАО «Научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения». Также Ярославский электромашиностроительный завод, ПАО «Уралэлектро», ПАО «Московский электромеханический завод имени Владимира Ильича-Электро ЗВИ», ПАО «Ржевский краностроительный завод» и другие.

Мировыми зарубежными производителями многофазных двигателей переменного тока являются известные фирмы: «Simmens», «KEB» (Германия), «Control Techniques» (Великобритания», «Hitachi» (Япония).

В рамках обзорного проекта рассмотрены следующие позиции товарной номенклатуры: 1. Двигатели переменного тока многофазные мощностью более 0,750 кВт, но не более 7,5 кВт; 2. Двигатели переменного тока многофазные мощностью более 750 кВт. Проведен анализ отечественного производства, экспорта и импорта.

Экспорт из России по группе товаров двигатели переменного тока многофазные мощностью более 750 кВт. представлен в таблице № 1. Наблюдается ежегодное чередование увеличение и уменьшение доли экспорта из России. Так, в 2014 году по сравнению с 2013 годом доля экспорта увеличилась на 1, 4 миллионов долларов. Но в 2015 по сравнению с 2014 годом уменьшилась на 3,2 $млн. В 2016 году в сравнении с 2015 экспорт из России вновь увеличился на незначительную сумму 0, 6 $млн.

Только у нас мобильная версия поиска, поиск по сайтам Беларуси, апдейт базы ежедневно .

Students.by — это живая энциклопедия белорусского студента (статьи, книги, мультимедиа). Ещё мы предлагаем поиск по лучшим полнотекстовым научным хранилищам Беларуси!

Трехфазный синхронный генератор – обратимая машина, т.е. если обмотку якоря подключить к шинам трехфазного напряжения, а ротор довести до синхронной частоты вращения, то генератор будет работать как двигатель, создавая вращающий момент на валу. Синхронный двигатель почти всегда (исключение – микродвигатели) работает при многофазном питании обмоток статора, создающих вращающееся магнитное поле. Полюса ротора входят в синхронизм с полюсами статора и увлекаются ими (рис. 13). Поэтому при постоянной частоте напряжения питания частота вращения синхронного двигателя постоянна и равна

S = (120 f ) / P ( об/мин ) .

Важное достоинство синхронного двигателя состоит в том, что он позволяет регулировать коэффициент мощности изменением тока возбуждения. Таким путем можно установить коэффициент мощности, равный 1. В случае недовозбуждения (ток возбуждения меньше номинального) двигатель потребляет ток, отстающий по фазе от напряжения питания, и действует как индуктивная нагрузка; в случае же перевозбуждения он потребляет ток, опережающий по фазе напряжение, и действует как емкостная нагрузка. Благодаря этой особенности синхронный двигатель представляет большую ценность с точки зрения регулирования энергетических систем. За счет реакции якоря ток, отстающий по фазе, усиливает возбуждение, а опережающий – ослабляет его. Как и в случае генератора, обе реакции противодействуют изменению возбуждения и тем самым повышают устойчивость системы.

Пуск . В отсутствие вращения момент на валу синхронного двигателя равен нулю. Чтобы он заработал, нужно довести его до частоты вращения, близкой к синхронной. Это можно сделать при помощи вспомогательного двигателя. Если синхронный двигатель служит приводным двигателем генератора постоянного тока, то последний можно использовать в качестве двигателя для разгона синхронного двигателя до синхронной частоты. Пуск синхронного двигателя можно также осуществлять при помощи асинхронного двигателя.

В момент пуска ток обмотки якоря может в 3–8 раз превышать нормальное рабочее значение. Чрезмерное понижение напряжения источника питания предотвращают, понижая в этот период подводимое напряжение при помощи последовательно включаемого токоограничивающего реактора.

Многофазные асинхронные двигатели . Принцип действия многофазных асинхронных двигателей состоит в том, что при определенном сдвиге по фазе между многофазными токами в многофазных обмотках они создают вращающееся магнитное поле. Такие многофазные обмотки обычно располагают в пазах на внутренней поверхности статора, набранного из тонких кольцевых пластин, стянутых по оси.

В случае трехфазного переменного тока синхронная частота вращения N вращающегося поля равна

N = (120 f ) / P ( об/мин ) ,

где f – частота переменного тока, а Р – число полюсов.