Электродвигатели появились достаточно давно, но большой интерес к ним возник тогда, когда они стали представлять собой альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Особо интересен вопрос КПД электродвигателя, который является одной из главных его характеристик.
Каждая система обладает каким-либо коэффициентом полезного действия, который характеризует эффективность ее работы в целом. То есть он определяет, насколько хорошо система или устройство отдает или преобразовывает энергию. По значению КПД величины не имеет, и чаще всего оно представляется в процентном соотношении или числе от нуля до единицы.
Основная задача электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую. КПД определяет эффективность выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:
В данной формуле p1 - это подведенная электрическая мощность, p2 - полезная механическая мощность, которая вырабатывается непосредственно двигателем. Электрическая мощность определяется формулой: p1=UI (напряжение умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени). Так выглядит расчет КПД электродвигателя. Однако это самая простая его часть. В зависимости от предназначения двигателя и сферы его применения, расчет будет отличаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД электродвигателя включает намного больше переменных. Выше был приведен самый простой пример.
Механический КПД электродвигателя должен обязательно учитываться при выборе мотора. Очень большую роль играют потери, которые связаны с нагревом двигателя, снижением мощности, реактивными токами. Чаще всего падение КПД связано с выделением тепла, которое естественным образом происходит при работе двигателя. Причины выделения теплоты могут быть разными: двигатель может нагреваться в процессе трения, а также по электрическим и даже магнитным причинам. В качестве самого простого примера можно привести ситуацию, когда на электрическую энергию было потрачено 1 000 рублей, а работы было произведено на 700 рублей. В таком случае коэффициент полезного действия будет равен 70%.
Для охлаждения электрических двигателей применяются вентиляторы, которые прогоняют воздух через созданные зазоры. В зависимости от класса двигателей, нагрев может осуществляться до определенной температуры. Например, двигатели класса A могут нагреваться до 85-90 градусов, класса B - до 110 градусов. В том случае, когда температура превышает допустимую границу, это может свидетельствовать о замыкании статора.
Стоит отметить, что КПД электродвигателя постоянного тока (и переменного тоже) изменяется в зависимости от нагрузки:
Одна из причин падения коэффициента полезного действия - асимметрия токов, когда подается разное напряжение на каждой из трех фаз. Если, к примеру, на первой фазе будет напряжение 410 В, на второй - 403 В, а на третьей - 390 В, то среднее значение будет равно 401 В. Асимметрия в данном случае будет равна разнице между максимальным и минимальным напряжением на фазах (410-390), то есть 20 В. Формула КПД электродвигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100 = 4.98%. Это значит, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разности напряжений на фазах.
Негативных факторов, которые оказывают влияние на падение КПД электродвигателя, очень много. Есть определенные методики, позволяющие их определять. К примеру, можно определить, есть ли зазор, через который частично передается мощность из сети к статору и далее - на ротор.
Потери в стартере также имеют место, и они состоят из нескольких значений. В первую очередь это могут быть потери, имеющие отношение к вихревым токам и перемагничиванию сердечников статора.
Если двигатель асинхронный, то имеют место дополнительные потери из-за зубцов в роторе и статоре. Также в отдельных узлах двигателя могут возникать вихревые токи. Все это в сумме снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных моторах учитываются все потери, которые могут возникать при работе. Поэтому диапазон коэффициента полезного действия может варьироваться от 80 до 90%.
История развития электрических двигателей начинается с момента открытия закона электромагнитной индукции. Согласно ему, индукционный ток всегда движется таким образом, чтобы противодействовать вызывающей его причине. Именно эта теория легла в основу создания первого электрического двигателя.
Современные модели основаны на этом же принципе, однако кардинально отличаются от первых экземпляров. Электрические моторы стали намного мощнее, компактнее, но самое главное - их КПД значительно увеличился. Мы уже писали выше о том, какой КПД электродвигателя, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания это потрясающий результат. К примеру, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 45%.
Высокий КПД - это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.
Вторым преимуществом является небольшой вес и компактные размеры. Например, компания Yasa Motors создала мотор с весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что очень приличный результат. Также такие моторы долговечные, не нуждаются в коробке передач. Многие владельцы электрокаров говорят об экономичности электрических двигателей, что логично в некоторой степени. Ведь при работе электромотор не выделяет никаких продуктов сгорания. Однако многие водители забывают о том, что для производства электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран. Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей - это очень спорный вопрос. Да, они не загрязняют воздух в процессе работы. За них это делают электростанции при производстве электроэнергии.
Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.
Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.
Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.
В зависимости от типа конструкции, коэффициент полезного действия в электрических двигателях может варьироваться от 10 до 99%. Все зависит от того, какой именно это будет двигатель. Например, КПД электродвигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, строения устройства и т. д. То же самое можно сказать и про КПД электродвигателя подъемного крана. Если он равен 90%, то это значит, что 90% потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10% - на нагрев деталей. Все же есть наиболее удачные модели электродвигателей, коэффициент полезного действия которых приближается к 100%, но не равен этому значению.
Ни для кого не секрет, что электрические двигатели, КПД которых превышает 100%, не могут существовать в природе, так как это противоречит основному закону о сохранении энергии. Дело в том, что энергия не может взяться из ниоткуда и точно так же исчезнуть. Любой двигатель нуждается в источнике энергии: бензине, электричестве. Однако бензин не вечен, как и электроэнергия, ведь их запасы приходится пополнять. Но если бы существовал источник энергии, который не нуждался в пополнении, то вполне возможно было бы создать мотор с КПД свыше 100%. Российский изобретать Владимир Чернышов показал описание двигателя, который основан на постоянном магните, и его КПД, как уверяет сам изобретатель, составляет более 100%.
Для примера возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падения с большой высоты воды. Вода вращает турбину, и та производит электричество. Падение воды осуществляется под действием гравитации Земли. И хотя работа по производству электроэнергии совершается, гравитация Земли не становится слабее, то есть сила притяжения не уменьшается. Далее вода под действием солнечных лучей испаряется и снова поступает в водохранилище. На этом цикл завершается. В результате электроэнергия выработана, затраты на ее производство возобновлены.
Конечно, можно сказать, что Солнце не вечно, это так, но пару-тройку миллиардов лет оно протянет. Что касается гравитации, то она постоянно совершает работу, вытягивая влагу из атмосферы. Если сильно обобщить, то гидроэлектростанция - это двигатель, который преобразует механическую энергию в электрическую, и его КПД составляет более 100%. Это дает понять, что искать пути создания электродвигателя, КПД которого может быть более 100%, прекращать не стоит. Ведь не только гравитацию можно использовать в качестве неисчерпаемого источника энергии.
Второй интересный источник - постоянный магнит, который ниоткуда не получает энергию, а магнитное поле не расходуется даже при совершении работы. Например, если магнит что-либо притянет к себе, то он выполнит работу, а его магнитное поле слабее не станет. Это свойство уже не раз пытались использовать для создания так называемого вечного двигателя, но пока что ничего более-менее нормального из этого не получилось. Любой механизм износится рано или поздно, но сам источник, которым является постоянный магнит, практически вечен.
Впрочем, есть специалисты, которые утверждают, что со временем постоянные магниты теряют свои силы в результате старения. Это неправда, но даже если бы и было правдой, то вернуть его к жизни можно было бы всего лишь одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который бы требовал перезарядку раз в 10-20 лет, хоть и не может претендовать на роль вечного, но очень близко к этому подходит.
Уже было много попыток создать вечный двигатель на базе постоянных магнитов. Пока что не было удачных решений, к сожалению. Но учитывая тот факт, что спрос на такие двигатели есть (его просто не может не быть), вполне возможно, что в скором будущем мы увидим что-то, что очень близко подойдет к модели вечного мотора, который будет работать на возобновляемой энергии.
КПД электродвигателя - это самый важный параметр, который определяет эффективность работы того или иного мотора. Чем выше КПД, тем лучше мотор. В двигателе с КПД 95% почти вся затрачиваемая энергия уходит на выполнение работы и только 5% расходуется не по нужде (например, на нагрев запчастей). Современные дизельные двигатели могут достигать значения КПД 45%, и это считается классным результатом. КПД бензиновых двигателей и того меньше.
Комментарии
Идёт загрузка... Похожие материалы
Бизнес Как повысить эффективность управления в компанииРост и развитие любой компании неразрывно связано с таким понятием, как эффективность управления процессами и персоналом. Несмотря на то, что этот термин становится очень популярен среди руководителей и тренинг &ndash...
Бизнес Ведение переговоров. Как повысить эффективность?Искусство переговорного процесса приводит к успеху в различных областях человеческой деятельности. Правила ведения деловых переговоров гарантируют успех в бизнесе.Умелое ведение переговоров предполагает последо...
Дом и семья Маски для сна: описание и видыКаких только аксессуаров не придумывает современное человечество! В данной статье будут описаны маски для сна. Вы узнаете, для чего используется такое приспособление и какие бывают его виды.
Здоровье Массаж при инсультах в домашних условиях. Реабилитация после инсультаИнсульт – тяжелая патология, которая практически всегда вызывает поражение двигательных центров. Восстановить функциональность организма поможет массаж. При инсультах начинать реабилитацию специалисты рекомендую...
Бизнес Техника ведения переговоров: классическое и современное общение, как повысить эффективность, советы и рекомендацииТехника ведения переговоров – отдельная наука, изучением которой занимались многие великие ученые в области экономики. Достигнуть совершенства в этом вопросе практически невозможно, всегда будет куда расти. Пере...
Дом и семья Спортивные браслеты на руку. Обзор спортивных браслетовСейчас многие люди стараются следить за своим здоровьем. Для них одним из главных трендов сегодня оказались спортивные браслеты. С таким устройством, надетым на руку, пользователь сможет успешно отслеживать свою двига...
Здоровье Серотонин: как повысить уровень в организме? Эффективные способыСовременные люди при помощи различных журналов, телевидения и главным образом интернета имеют доступ к такой информации, которой ранее владели только узкие специалисты. Сегодня же, если кто-то, к примеру, жалуется на ...
Здоровье Как повысить гемоглобин в домашних условиях: самые эффективные методыКак повысить гемоглобин в домашних условиях? Этот вопрос достаточно часто задают пациенты своим врачам. В свою очередь доктора после выявления анемии назначают больным железосодержащие аптечные препараты. Ведь именно ...
Здоровье Как сдать спермограмму? Какой может быть результат и как его улучшить?В 50% случаев супружеская пара не может завести ребенка из-за бесплодия мужчины. Обследование начинают обычно со спермограммы при подозрении на бесплодие. Однако она входит и в список анализов, рекомендованных для сда...
Искусство и развлечения Сериал "Луна": отзыв. Сериал "Луна": актеры и ролиНе часто отечественный, да к тому же современный кинематограф балует зрителей сериалами в жанре мистики. “Луна”, созданная на основе оригинального испанского проекта, стала, возможно, ярким доказательством...
monateka.com
| 0.75 | ≥ 75.5 | ≥ 82.5 | ||||
| 1.1 | ≥ 82.8 | ≥ 83.8 | ≥ 76.2 | < 76.2 | ≥ 82.5 | ≥ 84.0 |
| 1.5 | ≥ 84.1 | ≥ 85.0 | ≥ 78.5 | < 78.5 | ≥ 84.0 | ≥ 84.0 |
| 2.2 | ≥ 85.6 | ≥ 86.4 | ≥ 81.0 | < 81.0 | ≥ 85.5 | ≥ 87.5 |
| 3 | ≥ 86.7 | ≥ 87.4 | ≥ 82.6 | < 82.6 | ||
| 4 | ≥ 87.6 | ≥ 88.3 | ≥ 84.2 | < 84.2 | ≥ 87.5 | ≥ 87.5 |
| 5.5 | ≥ 88.6 | ≥ 89.2 | ≥ 85.7 | < 85.7 | ≥ 88.5 | ≥ 89.5 |
| 7.5 | ≥ 89.5 | ≥ 90.1 | ≥ 87.0 | < 87.0 | ≥ 89.5 | ≥ 89.5 |
| 11 | ≥ 90.5 | ≥ 91.0 | ≥ 88.4 | < 88.4 | ≥ 90.2 | ≥ 91.0 |
| 15 | ≥ 91.3 | ≥ 91.8 | ≥ 89.4 | < 89.4 | ≥ 90.2 | ≥ 91.0 |
| 18.5 | ≥ 91.8 | ≥ 92.2 | ≥ 90.0 | < 90.0 | ≥ 91.0 | ≥ 92.4 |
| 22 | ≥ 92.2 | ≥ 92.6 | ≥ 90.5 | < 90.5 | ≥ 91.0 | ≥ 92.4 |
| 30 | ≥ 92.9 | ≥ 93.2 | ≥ 91.4 | < 91.4 | ≥ 91.7 | ≥ 93.0 |
| 37 | ≥ 93.3 | ≥ 93.6 | ≥ 92.0 | < 92.0 | ≥ 92.4 | ≥ 93.0 |
| 45 | ≥ 93.7 | ≥ 93.9 | ≥ 92.5 | < 92.5 | ≥ 93.5 | ≥ 93.6 |
| 55 | ≥ 94.0 | ≥ 94.2 | ≥ 93.0 | < 93.0 | ≥ 93.0 | ≥ 94.1 |
| 75 | ≥ 94.6 | ≥ 94.7 | ≥ 93.6 | < 93.6 | ≥ 93.6 | ≥ 94.5 |
| 90 | ≥ 95.0 | ≥ 95.0 | ≥ 93.9 | < 93.9 | ≥ 94.5 | ≥ 94.5 |
| 110 | ≥ 94.5 | ≥ 95.0 | ||||
| 150 | ≥ 95.0 | ≥ 95.0 |
ru.teplowiki.org
12 ноября
В
озможная экономия электроэнергии от повышения КПД электродвигателей во всем мире чрезвычайно высока. Совсем недавно (в марте 2009 г.) в ЕС были разработаны обязательные «Стандарты на минимально допустимую энергоэффективность» (Minimum Efficiency Performance Standards — MEPS), которые будут введены в действие в период с 2011 по 2017 гг. Повышение КПД электродвигателей может быть достигнуто несколькими путями. Первый из них связан с самим электродвигателем, в котором усовершенствована конструкция и используются материалы с улучшенными свойствами. Другой метод заключается в оптимизации угла между вращающимися магнитными полями в электродвигателе, что достигается с помощью усовершенствованных алгоритмов управления электродвигателем, например за счет пространственно-векторного управления, или управления ориентацией поля. Такой метод обеспечивает оптимальный угол (как правило, около 90°) между магнитными полями ротора и статора электродвигателя при различных скоростях и крутящих моментах.Благодаря таким алгоритмам можно улучшить и другие динамические характеристики электродвигателя. Одним из самых значительных преимуществ новых алгоритмов управления является эффективное регулирование частоты вращения электродвигателей, которое позволяет сэкономить большую часть потребляемой мощности.
Одним из вопросов, которые связаны с общей эффективностью электроприводов и часто не принимаются во внимание разработчиками системы, является контроль коэффициента мощности.В странах ЕС требуется ККМ для источников питания номинальной мощностью более 75 Вт (согласно стандарту IEC 555), а также ограничение гармонических искажений сетевого тока, которые наводятся источниками питания (IEC/EN61000-3-2). Эти стандарты требуют контроля входного тока вплоть до 40-й гармоники линейной частоты.Асинхронные электродвигатели переменного тока с фиксированной скоростью вращения, подключенные непосредственно к сетевому напряжению, представляют собой индуктивную нагрузку для сети переменного тока. Для борьбы с низкой эффективностью таких электродвигателей на промышленных предприятиях часто включают компенсирующую емкостную нагрузку в питающую сеть.С помощью централизованного контроллера коэффициента мощности, работающего на базе измерения реактивного тока в момент включения и отключения электродвигателей на предприятии, можно автоматически подключать или отключать конденсаторы определенной емкости. Другим вариантом является использование ненагруженного электродвигателя-генератора в качестве искусственного конденсатора, называемого синхронным компенсатором; обычно одно такое устройство используется для целого предприятия. Чем ближе находится компенсирующий конденсатор к электродвигателям, тем лучше, т.к. между индуктивной и емкостной нагрузками имеется реактивная составляющая тока. Заметим, что генерируемый производителем электроэнергии сетевой ток может иметь практически резистивный характер, а реактивная его часть почти полностью скомпенсирована.
Несмотря на то, что современные электроприводы обеспечивают множество функций, у них имеется, по крайней мере, один недостаток. Для таких электроприводов простая схема емкостной ККМ не работает. Электроприводы, использующие контроллеры электродвигателей последнего поколения, выглядят для электрической сети как мощные AC/DC-источники питания. Без ККМ они представляют собой существенную нелинейную нагрузку. Если посмотреть на блок-схему электропривода (см. рис. 1), станет ясно, почему это так. Силовая электроника электропривода обычно состоит из двух основных частей: выпрямителя, который преобразует входное переменное напряжение сети в постоянное напряжение промежуточной шины питания, и инвертора, который преобразует постоянное напряжение шины в рабочую частоту и переменный ток. Во многих отношениях эти два блока дублируют друг друга: один блок эффективно преобразует переменный ток в постоянный, другой — постоянный в переменный. Суммарные энергетические потери этих двух блоков, которые фактически осуществляют преобразование из переменного напряжения в переменное напряжение с другими параметрами, превышают выигрыш в эффективности за счет оптимального контроля над фазой магнитного поля и регулирования скорости вращения электродвигателя.
 |
Рис. 1. Блок-схема современного электропривода |
 |
Рис. 2. Выходной ток выпрямителя без ККМ содержит большое число высших гармоник |
Активная коррекция может обеспечить весьма высокий коэффициент мощности (0,98 и выше) при приемлемых размерах компонентов, хотя энергоэффективность может быть немного ниже, чем при пассивном методе коррекции (94% вместо 96%) из-за дополнительных переключающих компонентов. В одной из самых простых архитектур активной коррекции — схеме с катушкой индуктивности — между выпрямительным мостом и конденсатором помещается ключевой транзистор (MOSFET или IGBT) и диод в конфигурации повышающего импульсного источника питания (см. рис. 3).
 |
Рис. 3. Усовершенствованный выпрямитель с активной коррекцией коэффициента мощности потребляет из сети ток, синфазный с напряжением сети |
Конфигурация повышающего импульсного стабилизатора с коррекцией коэффициента мощности может быть очень эффективной. Несмотря на то, что входной ток шунтируется на землю во время первой фазы, теряется небольшое количество энергии из-за того, что падение напряжения на низкоомном ключе мало. Наибольшая часть энергии расходуется на формирование магнитного поля, и эта энергия восстанавливается и передается на конденсатор во время второй фазы.Несмотря на то, что на диодах напряжение может несколько падать, для высоковольтных схем они не имеют особого значения. В случае их существенного влияния диоды можно заменить на транзисторы (MOSFET или IGBT) с меньшим значением напряжения включения, чем у диодов. С помощью контроллера транзисторы включаются в определенное время (а именно, когда напряжение на них переходит через ноль, подобно тому, как включался бы идеальный диод). Незначительные потери энергии наблюдаются во время переключения, когда транзистор еще полностью не включен или еще полностью не выключен; поэтому для каждого короткого отрезка времени переключения потери определяются величиной I2R. Кроме того, каждый рабочий период потери динамической энергии составляют CV2; они вызываются зарядом и разрядом емкости затвора транзистора.Катушка индуктивности может иметь I2R-потери из-за постоянного сопротивления обмоток. Часто для минимизации динамических потерь, обеспечения более высокого тока и решения проблемы насыщения используется тороидная катушка без сердечника. Накопительный конденсатор должен иметь низкое последовательное сопротивление и быть надежным в условиях высокого тока переключения. Как и в любом импульсном источнике питания, все эти потери можно уменьшить за счет оптимизации схемы и тщательного выбора компонентов.
Базовую архитектуру активной ККМ, о которой говорилось выше, можно усовершенствовать различными способами. Например, ее можно адаптировать для питания от 3-фазной сети. Простой двухполупериодный выпрямитель для 3-фазного входа состоит из шести выпрямительных диодов, вместо четырех в однофазном выпрямителе. К сожалению, трудно получить высокий коэффициент мощности, используя только диоды, т.к. они проводят только половину периода синусоидального тока при наивысшем значении мгновенного напряжения. Для достижения более высокого коэффициента мощности синусоидальный ток полуволны должен протекать через все шесть ветвей входного моста при корректном соотношении фаз. Один способ решения этой проблемы заключается в использовании переключающего транзистора вместо шести диодов и управление им с помощью ШИМ-контроллера, который гарантирует протекание тока на каждой фазе.Другой дополнительной функцией для системы выпрямителя/инвертора является обеспечение режима динамического торможения двигателя, или режима регенерации. В этом режиме инвертор отбирает ток от электродвигателя, который работает в генераторном режиме, в накопительный конденсатор, увеличивая напряжение шины постоянного тока. Одним из простых методов предотвращения выхода постоянного напряжения шины из режима стабилизации является выброс избыточного тока в резистивную нагрузку за счет еще одного ШИМ-контроллера. В зависимости от величины момента, приложенного к электродвигателю, избыточная энергия может быть весьма существенной. Она теряется впустую и может приводить к выделению значительного количества тепла.Более сложным решением является модификация выпрямителя таким образом, чтобы он отдавал энергию в сеть переменного тока. Вместо потребления тока от электросети синфазно с напряжением на каждой фазе, контроллер выпрямителя возвращает ток в сеть, инвертируя фазу тока так, чтобы он был в противофазе с входным напряжением. Даже после инвертирования тока необходимо, чтобы коэффициент мощности имел приемлемую величину. Другими словами, ток должен быть синусоидальным, иметь точно противоположную фазу (не быть реактивным) и содержать мало гармоник. Он должен быть подобен току, который протекал бы при нагрузке в виде идеального отрицательного резистора. При таких условиях синусоидальный, не совпадающий по фазе ток, который поступает в электросеть во время торможения, может быть использован другими потребляющими синфазный ток устройствами, что снижает локальное потребление энергии в сети. Если другая потребляющая нагрузка отсутствует, измеритель мощности работает в обратном направлении, т.е. энергия возвращается в сеть.Заметим, что в конфигурации для динамического торможения с 3-фазной сетью переменного тока выпрямитель выглядит почти как инвертор. Он действительно поддерживает оба режима: когда энергия потребляется из сети в шину постоянного тока (режим выпрямителя) и когда она передается из шины постоянного в сеть переменного тока (режим генератора, или инвертора).Простой представленный выше повышающий ключ не способен выполнять все эти операции. Для решения таких задач применяется более сложная архитектура, например повышающе-понижающий 3-фазный выпрямитель с возможностью регенерации (см. рис. 4).
 |
Рис. 4. Повышающе-понижающий 3-фазный выпрямитель с возможностью регенерации |
Многие алгоритмы, применяемые в современных системах управления электродвигателями, используют сдвоенное управление выпрямителем (dual-in rectifier control). В результате реализуются системы, которые требуют одни и те же типы компонентов почти одинаковой сложности (по крайней мере, системы высокого класса) как для инверторов электродвигателей, так и выпрямителей с ККМ.На рисунке 5 изображена блок-схема контроллера, который использует прямую связь по нагрузке для обеспечения быстрой реакции при ее изменении благодаря мониторингу колебаний постоянного напряжения шины из-за различных режимов работы электродвигателя. Блоки преобразования abc/dq и dq/abc (см. рис. 5) осуществляют прямое и обратное преобразование между вращающейся 3-фазной системой координат, синхронизированной с напряжением сети переменного тока, и стационарной системой координат, где применим пропорционально-интегральный закон управления. Модуль ШИМ управляет затворами семи ключевых транзисторов повышающе-понижающего выпрямителя.
 |
Рис. 5. Блок-схема алгоритма управления повышающе-понижающего 3-фазного выпрямителя |
Простую систему ККМ, как и простую схему управления электродвигателем, можно реализовать несколькими методами. Один из самых распространенных способов — использование недорогого микроконтроллера (МК), которого обычно достаточно для двигателя постоянного тока и шагового двигателя или для простого однофазного повышающего стабилизатора. Некоторые компании предлагают микросхемы для специализированного применения (application specific standard product — ASSP), способные решать специфические задачи коррекции коэффициента мощности.Системы среднего класса, такие как контроллеры для средних скоростей, можно реализовать с помощью одного из микроконтроллеров на базе DSP, предназначенного для управления электродвигателем. Эти чипы часто содержат специальные функции и блоки для поддержки электродвигателя, такие как измерители тока, компараторы и специализированные ШИМ-модули. Эти устройства адаптируются и для применения в выпрямителях среднего класса.Если к системе предъявляются более высокие требования, МК на базе DSP не всегда могут справиться с задачей управления. Большинство DSP являются достаточно гибкими устройствами, но по своей природе они представляют собой последовательный конечный автомат, который выполняет лишь ограниченный объем вычислений за один тактовый цикл. Поскольку алгоритмы усложняются, частота выборки растет, и требуется более высокий уровень интеграции, то решения на базе DSP становятся либо нереализуемыми, либо слишком дорогими.В этом случае идеальным решением является применение FPGA смешанного сигнала. Эти устройства обеспечивают множество специальных аналоговых функций (например, измерение тока), требуемых как для управления электродвигателем, так и для работы выпрямителя, а также содержат конфигурируемую матрицу логических элементов. В отличие от DSP, эти устройства могут выполнять множество вычислений параллельно, среди которых такие виды специализированных вычислений как расчет синусов и косинусов. Кроме того, FPGA потребляют заведомо меньше мощности, чем любой вид МК, выполняющих ту же функцию. Это объясняется тем, что лишь малая часть микроконтроллеров предназначена для вычислений; большая часть мощности этих устройств расходуется на пересылку данных, вызов следующей команды и т.д.FPGA смешанного сигнала сочетает лучшие свойства двух видов устройств: программно-управляемый МК в программной или аппаратной реализации может быть совмещен с логикой, предназначенной для выполнения некоторых специализированных задач управления. Еще одним интересным свойством FPGA является то, что эти устройства полностью включают в себя процессор, тогда как DSP, ASIC и ASSP не могут полностью включать в себя конфигурируемую логику.FPGA обеспечивают высокую гибкость при разработке приложения. Например, если какой-либо алгоритм требует дополнительного модуля ШИМ, его можно без труда добавить в систему на базе FPGA. ШИМ-модуль, встроенный в DSP или ASSP, может либо не выполнять требуемый для конкретного приложения алгоритм, либо не учитывать особенности существующей схемы питания. С помощью FPGA ШИМ-модуль можно сконфигурировать точно под требования приложения. FPGA можно адаптировать для работы почти со всеми типами датчиков обратной связи (энкодеры, датчики на эффекте Холла, тахометры и т.д.), а также для реализации алгоритмов без датчиков на основе измерения противо-ЭДС электродвигателя.FPGA смешанного сигнала позволяют значительно увеличить степень интеграции изделия. Одним из примеров такого рода служит реализация почти всех функций управления как для выпрямителя с высоким коэффициентом мощности, так и для инвертора управления электродвигателем на одном устройстве, включая многие другие функции. Другим распространенным приложением может быть включение более одного контроллера электродвигателя в один кристалл. Это было бы идеальным решением для многоканального электропривода, в котором один выпрямитель питает два и более инвертора электродвигателя. В устройстве на базе FPGA смешанного сигнала может быть достигнута более высокая частота выборки для высокоточных приложений с широким динамическим диапазоном.
Модернизация электродвигателей и контроллеров для их управления позволяет существенно улучшить энергоэффективность системы в целом. В современных системах управления электродвигателями активная коррекция коэффициента мощности фактически является одним из обязательных требований, т.к. без нее электродвигатели представляют собой нелинейную нагрузку для сети переменного тока. Во многих странах появились стандарты, требующие применения не только более эффективных электродвигателей, но и усовершенствованных методов ККМ и снижения уровня гармоник в сетевом токе.В то время как системы управления электродвигателями низкого и среднего класса могут сравнительно хорошо работать на базе микроконтроллеров, DSP и ASSP, для более совершенных алгоритмов и высокого уровня интеграции оптимальным решением является применение FPGA смешанного сигнала.
Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
www.russianelectronics.ru
Опубликовано 230 1.82. Бюллетень М 3
Дата опубликования описания 230 1.82 (53)M. Кл.
Н 02 N 1/08
5кудэретеснай квинтет
СССР ао делам изобретений и открытнй (53) УДК 621. 313. .39(088.8) П.Е. Молотов, В.А. Мерников, В.М. Кол и Я.Я. Нейфельд (72) Авторы изобретения
Куйбышевский авиационный институт им. (71) Заявитель (54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к электростатическим двигателям, и предназначено для работы в гироскопических системах, измерительных приборах, системах управления, в бытовых прибоS рах и т.д.
По основному авт. св. Р 644020 известен электростатический двигатель, который содержит диэлектрический цилиндрический ротор и статор в виде ножевидных электродов, размещенных под острым углом к осевой плоскости в сквозных прорезях дополнительного диэлектрического цилиндра, внутренняя поверхность которого между электродами выполнена со скосами от внутреннего радиуса к внешнему, а ротор снабжен дополнительным внутренним тонкостенным токопроводящим кольцом (1) .
Однако при движении внутреннего токопроводящего кольца вместе с ротором в электрическом поле в нем возникают вихревые токи, которые, потребляя энергию, снижают КПД двигателя.
Целью изобретения является повышение КПД электростатического двигателя.
Указанная цель достигается тем, что в электростатическом двигателе внутреннее токопроводящее кольцо выполнено неподвижным.
На чертеже изображен электростатический двигатель, общий вид.
Двигатель содержит диэлектрический статор 1, в пределах которого под острым углом к касательной поверхности ротора 2 установлены подвижные электроды 3 Внутри ротора неподвижно установлено токопроводящее кольцо 4.
Устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения на ножевидные электроды 3, установленные в прорезях статора l, происходит вза900388
Электростатический двигатель по авт. св. If 644020, о т л и ч а юs шийся тем, что, с целью повышения КПД, внутреннее токопроводящее кольцо выполнено неподвижным.
1. Авторское свидетельство СССР
11 644020, кл Н 02 N 1/08, 1977 (прототип).
Составитель Б. Баев
Редактор Н. Егорова Техред М.Надь Корректор М. Демчик
Заказ 12200/71 Тираж 718 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 имодействие поля, созданного корони- формула изобретения рующими электродами 3, с полем, созданным поверхностными зарядами ротора 2. Под действием этих сил ротор приводится во вращение. Применение неподвижного проводящего кольца 4 позволяет существенно повысить напряженность электрического поля и уменьшить потери. Источники информации, Таким образом, благодаря примене- 1î принятые во внимание при экспертизе нию неподвижного проводящего кольца, выполняющего роль экрана, повышается КПД электростатического двигателя.
www.findpatent.ru
В электродвигателе при преобразовании электрической энергии в механическую часть энергии теряется в виде тепла, которое сразу рассеивается в различных частях электродвигателя и частично – в окружающей среде. Все потери делятся на три вида: механические, обмоточные и потери в стали. Существуют еще и добавочные потери.
Коэффициент полезного действия (КПД) асинхронного электродвигателя уменьшается на суммарность потерь мощности, которые рассчитываются по формуле. Общая же сумма потерь напрямую зависит от нагрузки электродвигателя. Чем выше нагрузка, тем больше потерь и меньше КПД.
Конструирование асинхронного электродвигателя производится с учетом всех потерь при максимальной нагрузке. Поэтому данный диапазон может быть достаточно широким. Большинство асинхронных электродвигателей имеет коэффициент полезного действия 80-90%. Мощные электродвигатели выпускаются с КПД от 90 до 96%.
Просмотров: 3246
Дата: Воскресенье, 15 Декабрь 2013
www.rosdiler-electro.ru
