Site Loader

Содержание

Применение АМ с вращающимся статором

1. Регулирование частоты и напряжения асинхронного генератора(АГ)Использование вращающегося статора для регулирования частоты основано на управлении смещением магнитных потоков ротора и статора асинхронного генератора друг относительно друга, за счет вращения статора. Предложенное «электромеханическое управление» может использоваться в альтернативной энергетике, а именно в ветроэнергетике, где непостоянство  ветрового потока расценивается как возмущающее воздействие, приводящее к изменению скорости вала ротора ветрогенератора и изменению частоты тока и напряжения статора соответственно. На физической модели были проведены опыты, которые подтвердили работоспособность данного способа регулирования частоты.2. Использование АГ с вращающимся статором для повышения надежности ветроустановки при порывах ветра или других возмущениях

Ниже приведена структурная

схема ветроустановки с повышенной надежностью при порывах ветра.


Предполагается, что установка работает следующим образом: в нормальном режиме при отсутствии сильных порывов ветра фиксирующим устройством (7) осуществляется фиксация корпуса статора генератора (1) относительно его опоры (3). При порывах ветра выше заданного уровня срабатывает безынерционный датчик силы ветра (6) и фиксирующим устройством (7) осуществляется растормаживание статора генератора (1) путем отключения его фиксации с опорой (3). Существующий в генераторе электромагнитный момент взаимодействия магнитных полей статора и ротора перестает уравновешиваться моментом реакции неподвижной опоры (3) и начнет вращать статор, ускоряя его в сторону вращения ротора. При этом возникающие при порыве ветра механические  воздействия на ВЭУ окажутся уменьшенными за счет расхода части энергии ветра на разгон статора (1) и перехода в кинетическую энергию вращения статора генератора. После окончания порыва ветра фиксирующим устройством (7) осуществляется постепенное торможение статора с последующей фиксацией его относительно неподвижной опоры (3).

Применение безынерционного датчика (6), снижающего инерционность и сокращение механических воздействий уменьшают вероятность повреждения ВЭУ при порывах ветра и повышают ее надежность.

3. Использование АМ с вращающимся статором в системах регулируемого электропривода переменного тока

На рисунке ниже приведена структурная схема регулируемого электропривода
Предполагаемая модель регулируемого привода содержит  статор двигателя переменного тока (1), установленный на подшипниках (2), неподвижную опору (3), ротор двигателя (4), связанный с исполнительным механизмом. Имеется устройство, регулирующее скорость двигателя (6), состоящее из серводвигателя (7) и трансмиссии (8) однонаправленного действия, соединяющей серводвигатель со статором двигателя электропривода и выполненной, например, в виде червячного механизма.

Установка работает следующим образом. В исходном режиме серводвигатель (7) не вращает статор двигателя и скорость вращения двигателя электропривода определяется его параметрами и частотой напряжения питающей сети. При необходимости увеличить скорость электропривода с помощью серводвигателя (7) и трансмиссии (8), статор двигателя (1) вращают в сторону вращения его магнитного поля и ротора.
При необходимости уменьшить скорость электропривода статор (1) вращают против вращения магнитного поля статора и вращения ротора, что приводит к снижению скорости вращения ротора.
Таким образом, достигается регулирования скорости электропривода переменного тока. И одним из достоинств данного способа регулирования является отсутствия частотного преобразователя  мощностью равной номинальной мощности двигателя.

Принцип работы асинхронных электродвигателей | Полезные статьи

Конструктивные особенности асинхронного двигателя

Асинхронный электродвигатель обладает неподвижной частью — статором, на котором располагается обмотка, создающая вращающееся магнитное поле. Также есть здесь и подвижная часть в виде ротора, на котором появляется электромагнитный момент, приводящий во вращение сам ротор вместе с исполнительным механизмом.

Что касается сердечников статора и ротора, то они обычно делаются из изолированных листов электротехнической стали. При этом в качестве изоляции листов статора выступает лаковая пленка, а листы ротора изолирует окалина, которую создают во время прокатки. Листы статора и ротора обладают пазами, в которых находятся обмотки соответствующих деталей. Короткозамкнутая обмотка ротора, как правило, производится литьем из алюминиевого сплава.

Как работает асинхронный двигатель?

Принцип работы асинхронного двигателя заключается в том, что при подключении обмотки статора к сети появляется синусоидально распределенное вращающееся магнитное поле. Последнее, в свою очередь, индуцирует в обмотках статора и ротора электродвижущую силу, под действием которой по роторным проводникам проходит электрический ток. Суммарная сила, которая прикладывается ко всем проводникам ротора, создает электромагнитный момент — он как раз и увлекает ротор за вращающимся магнитным полем. В том случае, если этот момент достаточно длителен, то ротор начинает вращаться.

По своей конструкции асинхронные двигатели могут обладать фазным ротором (с контактными кольцами) и с короткозамкнутым ротором. Такие двигатели обладают одинаковой конструкцией статора и отличаются устройством ротора. Что касается пусковых свойств данных видов двигателей, то они отличаются друг от друга.

 

Регулирование скорости вращения и плавный пуск двигателя

Иногда может потребоваться регулировка скорости вращения асинхронного электродвигателя — это необходимо ввиду разных причин:

  • для изменения воздушного расхода в системе вентиляции;
  • для регулировки производительности насосов;
  • для того чтобы изменить скорость движущихся деталей, что может потребоваться в станках и конвейерах.

В различных вентиляционных системах это дает возможность сохранить электроэнергию и понизить уровень акустического шума установки.

Существует несколько способов регулирования скорости асинхронных электродвигателей. В частности, это такие варианты, как изменение рабочего напряжения и изменение частоты питающего напряжения. В первом случае регулировка может осуществляться с помощью автотрансформатора — обычного трансформатора, только имеющего одну обмотку и отводы от части витков. Такой регулятор скорости вращения асинхронного электродвигателя не имеет гальванической сети, но она здесь как раз не нужна, в результате чего получается существенная экономия ввиду отсутствия вторичной обмотки. Если говорить о втором способе регулировки скорости, то он осуществляется за счет введения резисторов в роторную цепь. Благодаря этому у двигателя увеличиваются потери мощности и, соответственно, снижается частота вращения ротора из-за увеличения скольжения.

В процессе выбора и использования данных агрегатов может возникнуть вопрос о том, как совершить плавный пуск асинхронного электродвигателя — к счастью, в этом сейчас нет проблемы, так как существуют специальные устройства плавного пуска — софтстартеры, благодаря которым можно успешно регулировать напряжение на зажимах двигателя. В результате такой возможности можно контролировать торможение двигателя, запускать его при увеличенной нагрузке и экономить электроэнергию при установленном режиме.

Возможность увеличения энергии рекуперации электродвигателя при механическом торможении его вала

В статье рассмотрена возможность увеличения энергосбережения при механическом торможении вала электродвигателя. Результаты эксперимента показали, что энергоэффективность в новой спроектированной конструкции электродвигателя с вращающимся статором при механическом торможении, больше в 2.5 раза, чем в аналогичном электродвигателе со статичным статором.

Известно, что электродвигатель при торможениях может вырабатывать электроэнергию. Такое торможение широко используется в электромобилях, трамваях, троллейбусах, электричках, поездах, а также в центрифугах и в подъемно-транспортной технике (краны, подъемники, лифты) и т.д., но при этом количество вырабатываемой электроэнергии в режимах механического тормоза сравнительно мало.


Диаграммы характеризующие один из режимов получаемой энергии рекуперации совместно с механическим (фрикционным) тормозом, для гибрида. График взят отсюда.

Было замечено, что статор двигателя может вращаться при торможениях, если дать для этого ему возможность, например поставить в подшипник. Пришла идея использовать энергию такого вращающегося статора, т.е. здесь остановившийся из-за механического торможения ротор, будет выполнять роль статора, а вращающийся статор, роль ротора. Условное изображение этого процесса показано на видео, сначала вращается условный ротор, с нагрузкой на валу, потом условный статор:

Естественно, для достижения нужного момента на валу, его статор должен быть статичным. Скорость вращения статора, при механическом торможении, здесь будет зависеть от достигнутого момента на валу, момента инерции самого статора и момента трения, от которого зависит вращение статора. Т.е. формула, которая описывает вращение статора должна выглядеть вот так:

— угловое (вращательное) ускорение статора
— угловое (вращательное) ускорение вала перед торможением
— момент инерции статора
— момент инерции вала
— момент трения действующий на вращение статора

Опишем подробней эксперимент. Была изготовлена экспериментальная установка:

Она состояла из переносной платформы, на которой был укреплен электродвигатель, тормоза и измеряющие приборы. Для электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов, мощностью 250 Вт, был сделан переходник из текстолита, в который вворачивалась стальная шпилька, шпилька вставлялась в корпусной подшипник, переходник позволял вращаться статору в подшипнике при торможении вала двигателя, а также по выбору, для последующих сравнений, оставлять статичным статор, с помощью вставляемого упора.
К валу электродвигателя присоединялся алюминиевый диск диаметром 300 мм, толщиной 10 мм, а к диску, в свою очередь, устанавливался ручной механический тормоз.
При механических торможениях, энергия рекуперации подавалось в двухканальный USB-осциллограф PCS 250, осциллограф выдавал значение этой энергии на компьютер.
Для измерения энергии, от установки на второй канал осциллографа подсоединялись несколько резисторов сопротивлением 1 Ом, мощностью 20 и 100 Вт, соединенные параллельно между собой, которые служили для расчета тока в цепи.
Запись данных энергии рекуперации при механическом торможении вала, проводились в двух режимах, при не вращающемся статоре и вращающемся статоре. Для этих двух режимов был выбран одинаковый максимальный интервал частоты вращения диска, при котором велась запись данных эксперимента, этот интервал составлял от 500 до 600 об/мин. Всего было сделано 12 замеров для каждого режима.
В итоге для обработки были взяты по 8 измерений для каждого режима. Чтобы среднеарифметическое значение максимальной частоты вращения вала перед торможением, для двух режимов были примерно одинаковы.
С помощью расчета среднеквадратичного отклонения (для каждого режима отдельно) были отсеяны результаты получаемой энергии рекуперации, не попадающие в доверительный интервал.
Для вращающегося статора среднеарифметическое составило 558.5 (об/мин), для статичного статора 559.1 (об/мин).
Среднеарифметическое значение получаемой энергии рекуперации при механическом торможении для вращающегося статора составило 5. 3 Дж, для статичного статора 2.04 Дж.


Количество испытаний и число получаемой энергии для двух режимов

Стоит обратить внимание на характер полярности выдаваемой энергии рекуперации при механических торможениях, в электродвигателе новой конструкции напряжение меняло свою полярность, на обратную:

А в конструкции со статичным статором, напряжение не меняло свою полярность:

На рисунках заштрихована область механического торможения. Одна клетка на осциллограмме для t (времени) равна 200 мс, для U (напряжения) равна 0.2 В.

Чтобы использовать энергию обратной полярности, можно использовать для этих целей переключатель полярности.

Также стоит заметить, что рекуперация с вращающимся статором в режиме без механического торможения будет меньше, поэтому время «включения» вращения статора перед механическим торможением должно быть по возможности минимальным, но достаточным, чтобы энергия вращения от ротора перешла на статор. Судя из осциллограмм достаточным было время около 100 мс, и в этом промежутке времени не видно значительных потерь, вероятно, можно еще уменьшить время до механического тормоза. Были идеи сделать второй статичный статор над вращающимся статором, чтобы уменьшить потери при не механическом торможении, но это усложнит конструкцию электродвигателя.

Предшествующей этой разработке, была конструкция с электродвигателем последовательного возбуждения, в которой статор, также осуществлял вращения, при механическом торможении вала.

Вывод: В опытной конструкции двигателя при механическом торможении вала с вращающимся статором получается в 2,5 раза энергии рекуперации больше чем со статичным статором, что наглядно иллюстрирует возможность повысить энергосбережение электродвигателей в режимах механического торможения. Количество энергии рекуперации здесь будет больше чем больше перед торможением момент вращения вала и чем меньше момент трения у вращающегося статора, а также допустимый для вращения статора его момент инерции, а чем меньше момент вращения вала и больше момент трения вращающегося статора и т.д., тем энергия рекуперации будет меньше, т. е. не смотря на получаемый эффект стоит задаться вопросом об окупаемости и надежности конструктивных изменений для устройства, в котором может использоваться электродвигатель с таким эффектом.

Ведение проекта: Юлиан Барышников (проектировка, сборка, проведение эксперимента, изготовление деталей, написание статьи, идея) — [email protected]

Помощь проекту: Виталий Азаров (проектировка, сборка, проведение эксперимента), Антон Алёшкин (проектировка, сборка, изготовление деталей), М.В. Яковицкая (редакция статьи), Александр Троицкий (проведение эксперимента), Николай Еремин (ПО к измерительному прибору), Алена Чумак (проектировка), Фаблаб Политех СПб (изготовление деталей, измерительный прибор, проведение эксперимента).

Возможность увеличения энергии рекуперации электродвигателя при механическом торможении его вала — Версия для печати

В статье рассмотрена возможность увеличения энергосбережения при механическом торможении вала электродвигателя. Результаты эксперимента показали, что энергоэффективность в новой спроектированной конструкции электродвигателя с вращающимся статором при механическом торможении, больше в 2. 5 раза, чем в аналогичном электродвигателе со статичным статором.

Известно, что электродвигатель при торможениях может вырабатывать электроэнергию. Такое торможение широко используется в электромобилях, трамваях, троллейбусах, электричках, поездах, а также в центрифугах и в подъемно-транспортной технике (краны, подъемники, лифты) и т.д., но при этом количество вырабатываемой электроэнергии в режимах механического тормоза сравнительно мало.


Диаграммы характеризующие один из режимов получаемой энергии рекуперации совместно с механическим (фрикционным) тормозом, для гибрида. График взят отсюда [1].

Было замечено, что статор двигателя может вращаться при торможениях, если дать для этого ему возможность, например поставить в подшипник. Пришла идея использовать энергию такого вращающегося статора, т.е. здесь остановившийся из-за механического торможения ротор, будет выполнять роль статора, а вращающийся статор, роль ротора. Условное изображение этого процесса показано на видео, сначала вращается условный ротор, с нагрузкой на валу, потом условный статор: