Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

  • где M – вращающий момент, Нм,
  • F – сила, Н,
  • r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент Мном, Нм, определяют по формуле

,

  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном — номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

  • где P – мощность, Вт,
  • A – работа, Дж,
  • t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

,

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

где – угол, рад,

,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

  • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
  • P1 — подведенная мощность (электрическая), Вт,
  • P2 — полезная мощность (), Вт
  • При этом

потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

  • где J – момент инерции, кг∙м2,
  • m — масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

где – угловое ускорение, с-2

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Вентильные двигатели переменного тока

Такие устройства получают свое питание от сетей переменного тока. Скорость вращения ротора и движения первой гармоники магнитной силы статора полностью совпадают. Данный подтип двигателей можно использовать при высоких мощностях. К этой группе относятся шаговые и реактивные вентильные аппараты. Отличительной особенностью шаговых устройств является дискретное угловое смещение ротора при его работе. Питание обмоток формируется при помощи полупроводниковых компонентов. Управление вентильным двигателем осуществляется при последовательном смещении ротора, которое и создает переключение его питания с одних обмоток на другие. Это устройство можно разделить на одно-, трех- и многофазные, первые из которых могут содержать пусковую обмотку или фазосдвигающую цепь, а также запускаться вручную.

Устройство ДПТ

Основными частями электрической машины постоянного тока являются магниты и обмотка. К вспомогательным частям относятся корпус, сердечник, вал, коллектор, щёточный механизм. Все эти детали имеют своё назначение.

Сердечники подвижной и неподвижной частей изготавливаются не из целостной конструкции, а из листов электротехнической стали. Эта особенность строения даёт возможность практически устранить вихревые токи.

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

Прямой обязанностью коллектора является преобразование переменного тока, который вырабатывается в обмотке якоря, в постоянный. Коллектор — узел, характерный именно для машин постоянного тока. Но он одновременно и самый уязвимый, так как почти половина всех электромоторов выходит из строя в процессе работы именно по причине его поломки. Отсутствие коллектора в строении асинхронной или синхронной машины улучшает её надёжность. Это преимущество сохраняется как для трехфазных, так и для однофазных машин переменного тока.

Популярные статьи  Газогенераторная установка

Управление двигателем постоянного тока подразумевает изменение скорости его вращения, ведь основной его задачей является приведение в ход рабочих механизмов. Скорость вращения можно изменять тремя методами:

  • изменением напряжения, которое подводится;
  • изменением сопротивления в цепи якоря;
  • изменением магнитного потока в цепи возбуждения.

Подбор запорного клапана (вентиля)

Поскольку запорные клапаны создают высокое сопротивление потоку применяют их, чаще всего, на паро- и водопроводах. 

Выбор запорного клапана будет зависеть от следующих параметров:

  • Назначение и условия работы.
  • Управление: ручное, редукторное, электрическое
  • Гидравлические характеристики: класс герметичности, удельный расход и прочие.
  • Монтажные условия: масса и размеры, вид соединения с трубопроводом, условный диаметр прохода.
  • Дополнительные требования, если имеются.

Движение потока рабочей среды относительно запорного клапана, выбирается в зависимости от давления:

  • При низком давлении – движение потока над седлом 
  • При высоком давлении – движение потока над золотником

В клапанах низкого давления рабочая среда протекает непосредственно над седлом. Крутящий момент при закрытии клапана будет более высоким.

В клапанах высокого давления поток рабочей среды поднимается над золотником, создавая прижимающие усилия, уменьшающие крутящий момент при закрытии затвора. При открытии золотник поднимается на расстояние 25-40% от своего полнопроходного положения.

Устройство вентильных сварочных генераторов

Электрическими вентилями называют приборы, обладающие свойством односторонней проводимости электрического тока. К ним относятся диоды и тиристоры, которые применяют для выпрямления переменного электрического тока, вырабатываемого в вентильных сварочных генераторах (ВСГ). Промышленность выпускает ВСГ на базе трехфазной индукторной электрической машины (рис. 5.4). На валу закреплена массивная стальная втулка, в которую запрессованы два пакета ротора 3 и 4. В стальную станину также запрессованы два пакета статора 5 и 7; все пакеты статора и ротора состоят из тонколистовой электромагнитной стали. Силовая торообразная обмотка якоря уложена в пазы пакетов статора и является общей для обоих пакетов. Обмотка возбуждения размещена между стальными пакетами ротора и жестко прикреплена к станине. На каждом стальном пакете ротора имеются зубцы, причем зубцы одного пакета сдвинуты по окружности относительно зубцов другого пакета на 180°.

Рис. 5.4. Электромагнитная схема ВСГ 1 — вал; 2 — втулка; 3, 4 — роторы; 5, 7 —статоры; 6 — станина; 8 — якорь; 9 — обмотка возбуждения.

ВСГ не имеет обмоток, расположенных на роторе, обмотка якоря и обмотка возбуждения закреплены на статоре, поэтому они при работе генератора неподвижны, и снятие производится с зажимов якоря. Эго создает большую надежность работы генератора.

Вал генератора соединен с электродвигателем, после запуска которого начинает вращаться ротор генератора. При вращении вала в зубцах ротора образуется пульсирующий магнитный поток и в обмотке якоря ЭДС, которая усиливается путем ее передачи, через трансформатор TV (рис. 5.5) и выпрямляющие диоды УД1, УДЗ, УД2 на обмотку возбуждения ОВ. В результате создается переменный трехфазный ток, выпрямляемый выпрямительным мостом УД и регулируемый реостатом R. Крутопадающая внешняя характеристика образуется за счет внутреннего индуктивного сопротивления генератора.

Рис. 5.5. Принципиальная электрическая схема ВСГ

ВСГ имеет хорошие сварочные свойства при частоте тока якоря 150—400 Гц и хорошие динамические показатели, вследствие чего обеспечивает высокую стабильность процесса сварки.

Источник

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — , у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором . В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Может работать на переменном и постоянном токе. Широко используется в ручном электроинструменте и в некоторых бытовых приборах (в пылесосах, стиральных машинах и др.). В США и Европе использовался как тяговый электродвигатель. Получил большое распространение благодаря небольшим размерам, относительно низкой цены и легкости управления.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую. Преимуществами электродвигателя постоянного тока являются: высокий пусковой момент, быстродействие, возможность плавного управления частотой вращения, простота устройства и управления. Недостатком двигателя является необходимость обслуживания коллекторно-щеточных узлов и ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — , в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов .

Асинхронный электродвигатель

Наиболее распространенный электродвигатель в промышленности. Достоинствами электродвигателя являются: простота конструкции, надежность, низкая себестоимость, высокий срок службы, высокий пусковой момент и перегрузочная способность. Недостатком асинхронного электродвигателя является сложность регулирования частоты вращения.

  • Однофазный
  • Двухфазный

Cинхронный электродвигатель

Синхронные двигатели обычно используются в задачах, где требуется точное управление скоростью вращения, либо где требуется максимальное значение таких параметров как мощность/объем, КПД и др.

  • С обмоткой возбуждения
  • С постоянными магнитами
  • Реактивный
  • Гистерезисный
  • Реактивно-гистерезисный
  • Шаговый

Про само путешествие

Суммарно по деньгам планировал на всё путешествие ~40 тыс. рублей. Да за 5 лет много поменялось, и надо было статью писать в 2015 году, но увы…

Все расходы можно распределить по пунктам:

В хостелах мы брали отдельные номера, а не место в комнате на 10 человек. Потенциально можно было сэкономить сильнее.

На каждый день я закладывал 1000 рублей и в основном это было питание. В каждом городе мы старались разок сходить поесть в кафе. Остальное время питались печеньками/булочками, а в поезд брали БП. Удобно было закупаться в FIxPrice — одна цена и ассортимент по всей России.

Однако в ежедневные траты попадал и форсмажор. У жены порвались джинсы в Саратове — купили там же замену за 1200. Ещё ходили в музей в Тамбове, т.к. утром было холодно, ветер и осадки. В остальном получалось укладываться в план — в одном городе тратились мало, а в другом много. Например, дорого (и невкусно) поели в Самаре на 1230 рублей, а в Москве дешево перекусили в Subway…

Популярные статьи  Можно ли подключить к одному узо стиральную и посудомоечную машину?

В выборе, где поесть действовали наугад:

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификацияИногда получалось очень здорово (Кафе Рататуй в ЕКб, восторг)

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификацияИногда шли на риск) Кафе в Омске и дикая груша в Тамбове

Передвижение по городу

Одна из целей поездки — посмотреть, как оно живётся в России, поэтому бродили мы не только по центру.

За 8,5 дней мы прошли пешком 154 км. Все маршруты по городам я планировал заранее по карте. Это был путь вдоль парков, затрагивающий центр, включающий поездку на общественном транспорте. Иногда оставлял что-то для импровизации, но все поездки на общественном транспорте продумал заранее — старался, чтобы это была долгая поездка до конечной остановки.

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификацияМаршрут омского трамвая №4 — 28 остановок. Почти весь город насквозь за 18 рублей.

Рекомендую помимо парков и достопримечательностей строить маршрут так, чтобы рядом встречались торговые центры, в них можно комфортно сходить в туалет/умыться.

Назначение и устройство станины

Каждый тяговый электродвигатель оборудуется станиной, используемой прежде всего в качестве магнитопровода, по которому осуществляется прохождение магнитных потоков основных и дополнительных полюсов. Еще она служит местом расположения и крепления полюсов и подшипниковой защиты.

При наличии больших нагрузок станина обычно бывает отлита из стали или сварена из толстых электротехнических стальных листов. Благодаря такой конструкции создается требуемая механическая устойчивость и высокая магнитная проницаемость. Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на поперечное сечение главных полюсов и составляют не ниже 50% этого размера.

На представленном рисунке отмечено расположение станины (1), относительно других деталей и компонентов – сердечника полюса (2), катушки обмотки возбуждения (3) и полюсного башмака (4). Между всеми элементами и якорем существует воздушная прослойка (5). Размеры диаметра изнутри станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве мог разместиться якорь, полюса главные и дополнительные и их обмотки.

Тяговый электродвигатель локомотива может иметь стальную литую станину с уменьшенной массой и пониженным поперечным сечением, ориентированным на оси главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий к станине от главного полюса.

Частично станина, не выполняющая функции магнитопровода, образует коллекторное пространство с незначительной толщиной стенок, достаточной для обеспечения необходимой механической прочности. В некоторых конструкциях это место закрывается отдельными ребрами жесткости, прикрытыми тонким защитным кожухом.

Конструкция

Клапан состоит из следующих основных элементов:

  • корпус
  • крышка
  • штурвал
  • сальник
  • шпиндель (шток)
  • затвор (золотник)
  • седло

Запорным органом является затвор, поступательно перемещающийся в вертикальной плоскости. Уплотнительные поверхности затвора запорного клапана могут иметь форму:

  1. Плоскую (золотник) – хорошо работают в жидких и газообразных средах, не содержащих взвешенных частиц;
  2. Конусовидную – используются для высоких давлений со взвешенными частицами.

Клапан запорный (вентиль)

Седло клапана ввинчивается или вваривается в корпус изделия. 

Конструкция верхнего уплотнения защищает сальниковую набивку, когда клапан находится в полностью открытом положении, чем исключается долговременное воздействие давления рабочей среды на набивку. Сальниковая набивка выполнена из терморасширенного графита и имеет хорошую уплотнительную способность. 

Крышка крепится на корпусе при помощи шпилек с навернутыми на них шестигранными гайками, что позволяет быстро и удобно производить разборку изделия. Спирально навитая прокладка надежно уплотняет соединение крышки с корпусом даже при высокотемпературных условиях эксплуатации.

На клапанах высокого давления возможно применение металлической прокладки овального или восьмиугольного сечения. Втулка шпинделя изготавливается из латуни, что позволяет обеспечивать свободное и мягкое открытие клапана.

Уплотнение шпинделя

По способу герметизации соединения шпиндель-крышка, клапаны делятся на:

Сальниковая – для уплотнения места прохода шпинделя используется сальниковая набивка – пропитанная антисептическими и гидрофобными составами специальная формованная лента из материалов растительного происхождения. Набивка сжимается в направлении оси штока или шпинделя и, благодаря своим упругим свойствам, расширяется в радиальном направлении, плотно заполняя пространство зазора между стенкой и штоком. Сальниковое уплотнение наиболее распространенный тип уплотнения благодаря своей простоте, низкой стоимости и возможности ремонта.

Сальниковое уплотнение

Сильфонная, мембранная – отличается отсутствием подвижных соединений с зазорами, через которые рабочая среда может вытечь наружу, благодаря тому, что устройство управления движением затвора находится по одну сторону упругого элемента, а рабочая среда – по другую сторону. Иначе говоря, стенка сильфона или мембрана выступают в роли герметизирующего элемента подвижного соединения.

Коллекторный двигатель постоянного тока

Стандартный коллекторный двигатель постоянного тока состоит в основном из двух частей: неподвижного корпуса двигателя, называемого статором, и внутренней части, которая вращается, создавая движение, называемое ротором или «арматурой» для машин постоянного тока.

Обмотка статора двигателя представляет собой электромагнитную цепь, которая состоит из электрических катушек, соединенных вместе в круговую конфигурацию для создания необходимого северного полюса, затем южного полюса, затем северного полюса и т.д., типа стационарной системы магнитного поля для вращения, в отличие от машин переменного тока, чье поле статора постоянно вращается с приложенной частотой. Ток, который течет в этих полевых катушках, известен как ток поля двигателя.

Эти электромагнитные катушки, которые формируют поле статора, могут быть электрически соединены последовательно, параллельно или вместе с ротором двигателя. Последовательно намотанный двигатель постоянного тока имеет обмотки статора, соединенные последовательно с ротором. Аналогично, двигатель постоянного тока с шунтирующим витком имеет свои обмотки возбуждения статора, соединенные параллельно с ротором, как показано ниже.

Ротор постоянного тока состоит из токонесущих проводников, соединенных вместе на одном конце с электрически изолированными медными сегментами, называемыми коммутатором. Коммутатор позволяет осуществлять электрическое подключение через угольные щетки (отсюда и название «щеточный» двигатель) к внешнему источнику питания при вращении ротора.

Популярные статьи  Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Установленное ротором магнитное поле пытается выровнять себя с полем статора, заставляя ротор вращаться вокруг своей оси, но не может выровняться из-за задержек коммутации. Скорость вращения двигателя зависит от силы магнитного поля роторов, и чем больше напряжение подается на двигатель, тем быстрее вращается ротор. Изменяя это приложенное постоянное напряжение, можно также изменять частоту вращения двигателя.

Двигатель постоянного тока с щеточным постоянным магнитом (PMDC), как правило, намного меньше и дешевле, чем его эквивалентные родственники двигателя постоянного тока с обмоткой статора, поскольку они не имеют обмотки возбуждения. В двигателях с постоянными магнитами постоянного тока (PMDC) эти полевые катушки заменяются сильными магнитами типа редкоземельных элементов (например, самарий-коболт или неодим-железо-бор), которые имеют очень сильные магнитные энергетические поля.

Использование постоянных магнитов дает двигателю постоянного тока намного лучшую линейную характеристику скорости / крутящего момента, чем эквивалентные намотанные двигатели из-за постоянного и иногда очень сильного магнитного поля, что делает их более подходящими для использования в моделях, робототехнике и сервоприводах.

Хотя щеточные электродвигатели постоянного тока очень эффективны и дешевы, проблемы, связанные с щеточным электродвигателем постоянного тока, заключаются в том, что искрение возникает в условиях большой нагрузки между двумя поверхностями коммутатора и угольных щеток, что приводит к самогенерированию тепла, короткому сроку службы и электрическому шуму из-за искрения, что может повредить любое полупроводниковое коммутационное устройство, такое как МОП-транзистор или транзистор. Чтобы преодолеть эти недостатки, были разработаны бесщеточные или бесколлекторные двигатели постоянного тока.

Асинхронные электродвигатели

Асинхронные электрические машины смело можно назвать костяком современной промышленности. Благодаря своей простоте, относительно низкой стоимости, минимальным затратам на обслуживание, а также возможности работать напрямую от промышленных сетей переменного тока, они прочно въелись в современные производственные процессы.

Сегодня существует множество различных преобразователей частоты с самыми различными алгоритмами управления, которые позволяют регулировать скорость и момент асинхронной машины в большом диапазоне с хорошей точностью. Все эти свойства позволили асинхронной машине значительно потеснить с рынка традиционные коллекторные двигатели. Вот почему регулируемые асинхронные электродвигатели (АД) легко встретить в самых различных устройствах и механизмах, таких как тяговый асинхронный электропривод, электроприводы стиральных машин, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок, кранов, лифтов и многом другом электрооборудовании.

АД создает вращающий момент за счет взаимодействия тока статора с индуцированным током ротора. Но токи ротора нагревают его, что приводит к нагреванию подшипников и снижению их срока службы. Замена традиционной алюминиевой обмотки на медную не устраняет проблему, а приводит к удорожанию электрической машины и может накладывать ограничения на прямой ее пуск.

Статор асинхронной машины имеет довольно большую постоянную времени, что негативно сказывается на реагировании системы управления при изменении скорости или нагрузки. К сожалению, потери связанные с намагничиванием не зависят от нагрузки машины, что снижает КПД АД при работе с малыми нагрузками. Автоматическое уменьшение потока статора возможно использовать для решения данной проблемы — для этого необходим быстрый отклик системы управления на изменения нагрузки, но как показывает практика, такая коррекция не существенно увеличивает КПД.

На скоростях превышающих номинальную поле статора ослабевает из-за ограниченного напряжения питания. Вращающий момент начинает падать, так как для его поддержания будет требоваться больший ток ротора. Следовательно, управляемые АД ограничиваются диапазоном скорости для поддержания постоянной мощности примерно 2:1.

Механизмы, которые требуют более широкого диапазона регулирования, такие как: станки с ЧПУ, тяговый электропривод, могут снабжаться асинхронными электродвигателями специального исполнения, где для увеличения диапазона регулирования могут уменьшать количество витков обмотки, снижая при этом значения крутящего момента на низких скоростях. Также возможен вариант с использованием более высоких токов статора, что требует установки более дорогих и менее эффективных инверторов.

Немаловажным фактором при работе АД является качество питающего напряжения, ведь максимальный КПД электродвигатель имеет при синусоидальной форме питающего напряжения. В реальности преобразователь частоты обеспечивает импульсное напряжение и ток, похожий на синусоидальный. Проектировщикам стоит иметь ввиду, что КПД системы ПЧ-АД будет меньше, чем сумма КПД преобразователя и двигателя в отдельности. Улучшения качества выходного тока и напряжения повышают увеличением несущей частоты преобразователя, это приводит к снижению потерь в двигателе, но при этом возрастают потери в самом инверторе. Одним из популярных решений, особенно для промышленных мощных электроприводов, является установка фильтров между преобразователем частоты и асинхронной машиной. Однако это приводит к увеличению стоимости, габаритов установки, а также к дополнительным потерям мощности.

Еще одним недостатком асинхронных машин переменного тока является то, что их обмотки распределены на протяжении многих пазов в сердечнике статора. Это приводит к появлению длинных концевых поворотов, которые увеличивают габариты и потери энергии в машине. Эти вопросы исключены в стандартах IE4 или классах IE4. В настоящее время европейский стандарт (IEC60034) специально исключает любые двигатели, требующие электронного управления.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: