Про асинхронный электродвигатель: alexey_donskoy — LiveJournal

Написав про Теслу, заметил, как мало мы все знаем историю, в том числе и историю техники.
Краткую сводку об изобретении радио в том посте я уже привёл.
Но даже в сугубо техническом вопросе об электродвигателе не всё так ясно, оказывается.

Например, мы (студенты как раз профильной специальности) учили, что асинхронный электродвигатель изобрёл наш человек (в смысле русский) Доливо-Добровольский.
Ну, так мы и про радио тоже учили, что наш человек Попов, а в действительности всё куда интереснее!

Так вот, чтобы понимать происходящее более века назад, надо представлять, как бурлила тогда научная и инженерная жизнь.
Всё было новым, неизвестным, многие одновременно думали об одном и том же, решали одни и те же задачи — и находили различные пути их решения.
Это было золотое время технической цивилизации Земли. Всё лежало на поверхности — не нужны были никакие синхрофазотроны и даже микроскопы (в области электротехники).

К тому времени уже использовался двигатель постоянного тока, но он имел как достоинства (простоту управления), так и недостатки (большие эксплуатационные расходы из-за износа контактных частей, трудности передачи электроэнергии на большие расстояния).
Многим приходила в голову идея использовать вращающееся магнитное поле (которое удобно делать с помощью переменного тока), но не все смогли воплотить эту идею даже в теории.

Из этой картинки очевидно устройство синхронной машины — её ротор (обычный магнит или электромагнит) вращается синхронно с полем, которое создаёт статор.
Но синхронный двигатель также имел ряд недостатков — он был дорог, им трудно управлять и, самое главное, его трудно запустить. Ведь в большинстве механизмов в момент пуска имеет место очень большая нагрузка (поди-ка сдвинь с места стоящий поезд!). При этом поле не в состоянии увлечь магнит ротора за собой, и двигатель не работает, а только чрезмерно греется.

Однако возможен и другой подход — когда ротор всегда отстаёт от вращающегося поля. Чем больше нагрузка, тем больше отставание (скольжение).
По-видимому, первым опубликовал свои исследования итальянец Галилео Феррарис (в 1888 году).
Однако он счёл технологию асинхронного двигателя бесперспективной из-за низкого КПД.
Такое мнение было справедливым: с уменьшением полезной нагрузки КПД действительно сильно падает.
И на инженеров это подействовало, «как красная тряпка на быка». Они наперегонки начали совершенствовать конструкцию, потому что уж очень привлекательной она была.

Проблема была серьёзной. Подумать только, ещё в 1875 году Тесла в своём техническом училище слушал лекцию о неосуществимости использования переменного тока в электродвигателях!
Как бы то ни было, Тесла тоже включился в гонку, и, пока Феррерис публиковал теоретические основы асинхронного двигателя и рассуждал о его бесперспективности, Тесла взял и всё это запатентовал. Теперь в США, естественно, считают изобретателем именно его.
На самом деле эти двое и конкурентами не были, они самостоятельно всё придумали (ну, так утверждается, по крайней мере).
Но без бумажки, сами понимаете… У Теслы бумажка уже была.

Однако причём тут упомянутый в самом начале Доливо-Добровольский, «русский изобретатель асинхронного двигателя»?!

Во-первых, русский он только по происхождению. А жил основную часть жизни в Германии, и работал на германский концерн AEG, отчего России никакого проку и не было.

Но своё слово сказал и он. Подстёгнутый статьёй Феррариса, «уже в 1889 году Доливо-Добровольский получает патент на трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличье колесо», а в 1890-м — патенты на фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами. Данные изобретения открыли эру массового промышленного применения электрических машин. В настоящее время асинхронный двигатель является самым распространенным электродвигателем.» (http://ru.wikipedia.org/wiki/Асинхронная_машина)

«Работа в этом направлении, на основе полученного Николой Теслой двухфазного тока, в необычайно короткий срок привела к разработке трёхфазной электрической системы и совершенной, в принципе, не изменившейся до настоящего времени конструкции асинхронного электродвигателя.» (http://ru.wikipedia.org/wiki/Доливо-Добровольский, Михаил Осипович)

Но и у Теслы тоже был трёхфазный двигатель — на втором фото. Кто же из них был первым?!

Вот такая вот непростая, запутанная, азартная история технических открытий и изобретений!

Электродвигатели: история изобретения

Асинхронный электродвигатель — электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую.

Четырехтактный карбюраторный двигатель внутреннего сгорания.

Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n₁. Таким образом ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю. Впервые явление, названное магнетизмом вращения, продемонстрировал французский физик Д. Ф. Арагон (1824). Он показал, что укрепленный на вертикальной оси медный диск начинает вращаться, если вращать над ним постоянный магнит. Спустя 55 лет, 28 июня 1879, английский ученый У. Бейли получил вращение магнитного поля поочередным подключением обмоток 4 стержневых электромагнитов к источнику постоянного тока. В работах М. Депре (Франция, 1880—1883), И. Томсона (США, 1887) и др. описываются устройства, основанные также на свойствах вращающегося магнитного поля. Однако строгое научное изложение сущности этого явления впервые практически одновременно и независимо друг от друга было дано в 1888 г. итальянским физиком Г. Феррарисом и хорватским инженером и ученым Н. Тесла.

Схема включения асинхронного электродвигателя с фазным ротором: 1 — обмотка статора, 2 — обмотка ротора, 3 — контактные кольца, 4 — щетки, R — резисторы.

Двухфазный асинхронный электродвигатель был изобретен Н. Тесла в 1887 г. (английский патент № 6481), публичное сообщение об этом изобретении он сделал в 1888 г. Распространение этот тип асинхронного двигателя не получил в основном из-за плохих пусковых характеристик. В 1889 г. М. О. Доливо-Добровольский испытал сконструированный им первый в мире трехфазный асинхронный двигатель, в котором применил ротор типа «беличье колесо» (германский патент № 51083), а обмотку статора разместил в пазах по всей окружности статора. В 1890 г. Доливо-Добровольский изобрел фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами (патенты английский № 20425 и германский № 75361). Через 2 года им же была предложена конструкция ротора, названная «двойной беличьей клеткой», которую, однако, стали широко применять только с 1898 г. благодаря работам французского инженера П. Бушеро, представившего асинхронный электродвигатель с таким ротором, как двигатель со специальными пусковыми характеристиками. Благодаря своей простоте устройства, надежности в эксплуатации двигатели такого типа являются самыми распространенными электрическими машинами в мире. Фазные обмотки статора электродвигателя соединяются в звезду или треугольник (в зависимости от напряжения сети). Если в паспорте электродвигателя указано, что обмотки выполнены на напряжение 220/380 В, то при включении его в сеть с линейным напряжением 220 В обмотки соединяют в треугольник, а при включении в сеть 380 В — в звезду.

Схемы соединения обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя.

Схемы соединения обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя: а — в звезду, б — в треугольник, в — в звезду и треугольник на клеммном щитке электродвигателя. Схема включения асинхронного электродвигателя с фазным ротором: 1 — обмотка статора, 2 — обмотка ротора, 3 — контактные кольца, 4 — щетки, R — резисторы. Для изменения направления вращения вала асинхронного двигателя необходимо изменить направление вращения магнитного поля статора. Для этого достаточно поменять местами два любых провода, соединяющих обмотку статора с питающей сетью.

Закулисная сторона истории

История создания двигателя переменного тока, основанного на изобретении вращающегося магнитного поля, гораздо более драматична и даже детективна, как и всякая история настоящего изобретения. Двигатели постоянного тока уже эксплуатировались на полную мощность. Концентрация промышленных объектов вдали от мест производства электроэнергии требовала ее передачи на все большие и большие расстояния. Но передача постоянного тока на такие расстояния вела к огромным потерям. Такая передача была бы целесообразна лишь при применении напряжения в десятки тысяч вольт. Но получить такое напряжение в генераторах постоянного тока было невозможно. Тогда пришли к идее передачи переменного тока с последующей его трансформацией.

Схема простого самодельного электродвигателя.

Пользуясь однофазными генераторами с механической коммутацией концов катушек ротора (коллектор, щетки), стали производить переменный ток низкого напряжения, затем трансформаторами повышать его до любой требуемой величины, передавать на расстояние высоким напряжением, а на месте потребления снова снижать до требуемого и использовать в токоприемниках. Но… снова возникала проблема выпрямления переменного тока в постоянный для использования в двигателях, что приводило практически к таким же потерям, что и в линиях при передаче постоянного тока Еще не существовало электродвигателей переменного тока. А ведь уже в начале 1880-х годов электроэнергия потреблялась главным образом для силовых нужд. Электродвигатели постоянного тока для привода самых различных машин применялись все шире. Создать электродвигатель, который мог бы работать на токе без выпрямителей, стало основной задачей электротехники. В поисках новых путей всегда необходимо оглянуться назад. Не было ли в истории электротехники чего-либо такого, что могло бы подсказать путь к созданию электродвигателя переменного тока? Поиски в прошлом увенчались успехом. Вспомнили, что еще в 1824 году Арагон демонстрировал опыт, положивший начало множеству плодотворных исследований. Речь идет о демонстрации «магнетизма вращения». Медный (немагнитный) диск увлекался вращающимся магнитом. Возникла идея: нельзя ли, заменив диск витками обмотки, а вращающийся магнит вращающимся магнитным полем, создать электродвигатель переменного тока? Наверное, можно, но как получить вращение магнитного поля? В эти годы было предложено много различных способов применения переменного тока. Добросовестный историк электротехники должен будет назвать имена различных физиков и инженеров, пытавшихся в середине 80-х годов создать электродвигатели переменного тока. Он не забудет напомнить об опытах Бейли (1879 г.), Марселя Депре (1883 г.), Бредли (1887 г.), о работах Венстрома, Хазельвандера и многих других. Предложения, несомненно, были очень интересны, но ни одно из них не могло удовлетворить промышленность: электродвигатели их были либо громоздки и неэкономичны либо сложны и ненадежны. Все они были основаны на механической коммутации обмоток электромагнитов, что было еще дороже и ненадежнее, чем выпрямление.

Электромагнитная индукция.

Поиски решения именно этой задачи, создание вращающегося магнитного поля, начал Никола Тесла. Он шел своим путем и предложил коренное решение возникшей проблемы. Еще в Будапеште весной 1882 года Тесла ясно представил себе, что если каким-либо образом осуществить питание обмоток магнитных полюсов электродвигателя двумя различными переменными токами, отличающимися друг от друга лишь сдвигом по фазе, то чередование этих токов вызовет переменное образование северного и южного полюсов, или вращение магнитного поля. Вращающееся магнитное поле должно увлечь и обмотку ротора машины. Тесла первым, еще в 1882 году, независимо ни от кого, построил источник двухфазного тока (двухфазный генератор синусоидального тока со сдвигом фаз 900) и такой же двухфазный электродвигатель, уложив его статорные обмотки так, чтобы создавалось вращающееся магнитное поле, и тем осуществил свою идею независимо и самостоятельно и впервые. В этом именно и заключается создание двигателя переменного тока. Тогда он еще, так же как и никто в мире, не имел представления о паразитных токах взаимоиндукции, и его пара «генератор-двигатель» с цельнометаллическими статором и ротором сильно перегревалась. Но это был тот самый главный и отчаянный рывок в электротехнике, описанный им в патенте № 6481 за 1887 год, где Тесла, теоретически рассмотрев все возможные случаи сдвига фаз, остановился на сдвиге в 90°, то есть на двухфазном токе, но описал возможность применения вращающегося поля и для многофазных систем. На основе этого описания затем и работал Доливо-Добровольский над своей трехфазной системой. Но Тесла не был единственным ученым, вспомнившим об опыте Арагона и нашедшим решение важной проблемы. В те же годы исследованиями в области переменных токов занимался итальянский физик Галилее Феррарис, представитель Италии на многих международных конгрессах электриков (1881 и 1882 годы в Париже, 1883 год в Вене и другие). Подготавливая лекции по оптике, он пришел к мысли о возможности постановки опыта, демонстрирующего свойства световых волн.

Схема включения коллекторного двигателя.

Для этого Феррарис укрепил на тонкой нити медный цилиндр, на который действовали два магнитных поля, сдвинутых под углом в 90°. При включении тока в катушки, попеременно создающие магнитные поля то в одной, то в другой из них (опять же с помощью механической коммутации обмоток этих катушек М.Н.), цилиндр под действием этих полей поворачивался и закручивал нить, в результате чего поднимался на некоторую величину вверх. Устройство это прекрасно моделировало явление, известное под названием поляризации света. Феррарис и не предполагал использовать свою модель для каких-либо электротехнических целей. Это был всего лишь лекционный прибор, остроумие которого заключалось в умелом применении электродинамического явления для демонстраций в области оптики. Но Феррарис не ограничился этой моделью. Во второй, более совершенной ему удалось достигнуть вращения цилиндра со скоростью до 900 оборотов в минуту. Но за определенными пределами, как бы ни увеличивалась в цепи сила тока, создававшего магнитные поля (другими словами, как бы ни увеличивалась затрачиваемая мощность), достигнуть увеличения числа оборотов не удавалось. Подсчеты показали, что мощность второй модели не превышала 3 ватт. Несомненно, Феррарис, будучи не только оптиком, но и электриком, не мог не понимать значения произведенных им опытов. Однако ему, по собственному его признанию, и в голову не приходило применить этот принцип к созданию электродвигателя переменного тока. Самое большое, что он предполагал, — использовать его для измерения силы тока, и он даже начал конструировать такой прибор. 18 марта 1888 года в Туринской академии наук Феррарис сделал доклад «Электродинамическое вращение, произведенное с помощью переменных токов». В нем он рассказал о своих опытах и пытался доказать, что получение в таком приборе коэффициента полезного действия свыше 50 процентов невозможно. Феррарис был искренне убежден, что, доказав нецелесообразность использования переменных магнитных полей для практических целей, он оказывает науке большую услугу. Доклад Феррариса опередил сообщение Николы Тесла в Американском институте электроинженеров. Но заявка, поданная для получения патента еще в октябре 1887 года, свидетельствует о несомненном приоритете Тесла перед Феррарисом.

Схема подключения электродвигателя.

Но не это принципиально! Принципиально то, что Феррарис создавал вращающееся магнитное поле механической коммутацией концов катушек электромагнитов, а Тесла еще создал и двухфазный генератор переменного тока и описал его работу в своем патенте за 1887 год. Однофазные генераторы переменного тока уже давно работали как и однофазные трансформаторы. Т.е. Тесла открыл само явление под названием «сдвиг фаз» и впервые уложил обмотки и генератора, и двигателя специальным образом, заложив основы для создания многофазных систем. Что же касается публикации, то статья Феррариса, доступная для чтения всем электрикам мира, была опубликована лишь в июне 1888 года, то есть после широко известного доклада Тесла. На утверждение Феррариса, что работы по изучению вращающегося магни

Электродвигатель переменного тока история создания

Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током.

Введение

По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

Второе название асинхронных машин

В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

 

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Лёгкость в изготовлении.
• Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

Недостатки:

• Небольшой пусковой момент.
• Значительный пусковой ток.

История

Приоритет в создании асинхронного двигателя принадлежит Николе Тесле

Вклад в развитие асинхронных двигателей внес Галилео Феррарис, который в 1885 г. в Италии построил модель асинхронного двигателя мощностью 3 Вт. В 1888 г. Феррарис опубликовал свои исследования в статье для Королевской Академии Наук в Турине (в том же году, Тесла получил патент США 381,968 от 01.05.1888 (U.S. Patent 0 381 968|заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), в которой изложил теоретические основы асинхронного двигателя. Заслуга Феррариса в том, что сделав ошибочный вывод о небольшом к.п.д. асинхронного двигателя и о нецелесообразности применения систем переменного тока, он привлек внимание многих инженеров к проблеме совершенствования асинхронных машин. Статья Галилео Феррариса, опубликованная в журнале «Атти ди Турино», была перепечатана английским журналом и была прочитана в июле 1888 г. выпускником Дармштадтского Высшего технического училища, выходцем из России Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским.

Доливо-Добровольский установил, что для создания вращающегося магнитного поля — основы работы асинхронного двигателя — технически и экономически целесообразно применение симметричной трехфазной магнитной системы, со сдвигом фаз на 120 электрических градусов. Трехфазный асинхронный электродвигатель, изготовленный Доливо-Добровольским в 1889 г., продемонстрировал высокую эффективность и неоспоримые преимущества перед двухфазными двигателями Феррариса и Тесла. По словам изобретателя: «уже при первом включении выявилось ошеломляющее для представлений того времени действие… попытка остановить его торможением за конец вала от руки блестяще провалилась, и только при особой ловкости было возможно воспрепятствовать таким способом его запуску при включении. Если принять во внимание малые размеры моторчика, это представлялось чудом для всех приглашенных свидетелей». Несмотря на это отношение к переменному току у многих оставалось сдержанным. Корифей электротехники Т. Эдисон отказался даже осмотреть новое изобретение, заявив: «Нет, нет, переменный ток — это вздор, не имеющий будущего. Я не только не хочу осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем». Вскоре Доливо-Добровольскому удалось решить все основные проблемы, связанные с конструкцией двигателя, устройство которого до настоящего времени принципиально не менялось.

Первая демонстрация

Первой демонстрацией практического применения асинхронного двигателя и трехфазной системы стала Международная электротехническая выставка 1891 г. во Франкфурте-на-Майне. Выставку с гидроэлектростанцией на реке Неккар в городе Лауфен соединила 170-километровая линия электропередачи. А 25 августа на выставке зажглась тысяча электроламп, питаемых током от Лауфенской электростанции. Затем был пущен трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт, приводивший в действие декоративный дестиметровый водопад. Разработки Доливо-Добровольского вскоре были внедрены в производство. Простой, экономичный и надежный двигатель переменного тока, получил широкое распространение и послужил стимулом для развития техники переменных токов и электроэнергетики в целом. В России фирма AEG в конце 90-х гг. XIX в. развернула сеть агентств в Москве, Санкт-Петербурге, Ростове и других городах, занимавшихся реализацией изделий своих германских предприятий. Генеральное представительство этой фирмы располагалось в Москве, в Лубянском проезде, рядом с Политехническим музеем.

Трехфазный асинхронный электродвигатель типа «DR8O» мощностью 6 л.с. (4 кВт) выпуска 90-х гг. XIX в. из собрания Политехнического музея является одним из первых серийных трехфазных двигателей фирмы AEG. Об этом свидетельствует наличие кольцевой обмотки на статоре. Впоследствии от таких обмоток отказались, перейдя на более совершенные — барабанные.

Заключение

Основные элементы двигателя — трехфазная обмотка статора, шихтованный ротор с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» — предложены и разработаны Доливо-Добровольским. Работа асинхронного двигателя основана на электромагнитном взаимодействии между статором и ротором. Токи статорных обмоток создают вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцируют токи в короткозамкнутой обмотке ротора. В результате взаимодействия токов ротора с магнитным полем статора создается вращающий момент.

Связанное оборудование (products tags):

Специальные регулируемые асинхронные двигатели — Википедия

Специальные регулируемые асинхронные двигатели создаются в результате адаптации общепромышленных асинхронных двигателей к их условиям эксплуатации в управляемых электроприводах, имеющие в итоге более высокие энергетические и массогабаритностоимостные показатели по сравнению с неадаптированными.

Работа асинхронного двигателя в регулируемом электроприводе (ЭП) характеризуется существенными особенностями, которые и определяют предъявляемые к ним специфические технические требования. Эти особенности связаны с изменяющимися в заданных пределах, а часто и по заданным законам, значениями частот вращения двигателя, величин и частот питающего двигатель напряжения или тока, наличием и необходимостью учёта временных высших гармонических составляющих. В силу этого специфическими являются математические модели (ММ) электромагнитных, электромеханических, энергетических, тепловентиляционных процессов в установившихся и переходных режимах работы двигателей, расчетов добавочных магнитных потерь, механических и виброакустических показателей, которые построены на усовершенствованных расчетных методиках.

Использование серийных асинхронных двигателей (АД) в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями не оптимально по массогабаритным, энергетическим и другим показателям. По некоторым оценкам использование обычных серийных АД в частотном приводе снижает КПД и требует завышения их установленной мощности на 15-20 % при работе в установившихся режимах и до 40-45 % при работе в динамических режимах. Из-за высших гармоник напряжения и тока на выходе преобразователя частоты на 5-6 % возрастают потери в двигателе.

Необходимо проектирование специальных регулируемых асинхронных двигателей (РАД) с улучшенными регулировочными, динамическими и виброакустическими свойствами. Применение РАД, спроектированных с учётом специфики их работы в условиях регулируемого ЭП, вместо общепромышленных АД дает возможность значительно снизить массу, габариты и стоимость электроприводов, улучшить их функциональные показатели. Если оптимально спроектировать двигатель для частотного регулирования, можно получить на 25 % большую мощность, чем у общепромышленных АД того же габарита, либо уменьшить объем при той же мощности.

Техническими предпосылками, обеспечивающими преимущества адаптированных регулируемых двигателей над серийными машинами, являются:

• Исключение требований к пусковым характеристикам (не ставиться задача обеспечения кратностей пускового и максимального моментов), в связи с чем может быть применена соответствующая форма паза ротора (отказ от глубоких пазов), обеспечивающая минимальное активное сопротивление обмотки ротора и меньшую индуктивность рассеяния;
• требуемую частоту вращения производственного механизма, определяемую частотой питания двигателя, числом полюсов обмотки статора АД и передаточным числом редуктора, можно обеспечить при различных сочетаниях этих трех величин;
• возможность некоторого снижения перегрузочной способности АД, поскольку система привода отслеживает параметры напряжения или тока питания двигателя;
• использование эффективных систем само- и, при необходимости, принудительного охлаждения;
• возможность выбора оптимального соотношения нестандартных значений напряжения и частоты проектируемого двигателя, отличного от базового и согласованного с номинальными значениями преобразователя, что позволяет снизить массу и габариты;
• усиление электроизоляции витков обмотки статора с целью защиты от импульсных перенапряжений;
• использование соответствующих подшипников с учётом, как высоких скоростей вращения, так и появления паразитных токов от высокочастотной коммутации.

Принципы и методология проектирования[править | править код]

Основные принципы и методология проектирования РАД должны базироваться на системном подходе и определяться с учётом существенной специфики их работы в составе ЭП как в установившихся, так и в динамических режимах. Системный подход предусматривает рассмотрение РАД во взаимодействии с другими элементами ЭП: силовой преобразовательной частью, системой управления и регулирования, исполнительным органом рабочей машины. Эффективность системного подхода при проектировании РАД основывается на учёте особенностей отдельных составляющих ЭП, характера отношений и связей между этими составляющими. Благодаря этому значительно повышаются адекватность ММ и соответственно качество проектного синтеза РАД. Использование системного подхода позволяет реализовывать комплексный анализ проектируемого РАД, на основе которого рассматриваются все наиболее важные для проектного синтеза аспекты устройства и функционирования РАД.

Системный подход дает возможность осуществить:

• комплексный учёт всей необходимой совокупности проектных факторов в их взаимосвязи и взаимовлиянии;
• разработку и применение адекватных ММ, учитывающих изменение параметров во всем диапазоне регулирования, и другие особенности работы РАД в регулируемом ЭП;
• обоснование и применение рациональной декомпозиции проектной ММ и модели объекта проектирования, процессов проектного синтеза и оптимизации;
• реализацию эффективных методов оптимизации;
• системную организацию технологии процесса проектного синтеза РАД.

Исходя из системного подхода, определяются специфические проектные критерии и ограничения, используемые при проектировании РАД.

Проектные ММ на основе принципа декомпозиции могут быть составлены с использованием моделей отдельных компонентов ЭП, в том числе и модели объекта проектирования — РАД. Модель РАД должна учитывать полигармонический состав питающего напряжения переменных величины и частоты, изменение параметров двигателя в процессе регулирования и ряд других проектных особенностей. Полупроводниковые преобразователи, отличающиеся типами, силовыми схемами, видами регулирования, законами управления и т. д., представляются разными ММ. Нагрузки ЭП имеют различные законы изменений моментов сопротивлений от частоты вращения и различные уровни. Они могут быть непрерывного или циклического действия. Все это должно найти отражение в ММ нагрузок. Работа АД в системах с ПП обладает существенной спецификой, которая является причиной появления новых требований к параметрам и технико-экономическим показателям РАД, в результате чего задача разработки машин для указанных систем переросла в самостоятельную проблему, включающую и круг вопросов, связанных с определением оптимальных параметров двигателей. Для решения задач проектного синтеза и оптимизации таких двигателей не могут быть применены стандартные методы и программное обеспечение, разработанные для АД общепромышленного назначения.

При проектировании РАД учитываются следующие особенности и требования:

• необходимость использования в системе расчетного проектирования комплексных ММ, включающих в себя модели всех взаимодействующих компонентов ЭП, а не только модели двигателя, как это делается при проектировании общепромышленных АД;
• выполнение проектирования на определенный диапазон частот вращения, что требует проведения большого объема поисковых и поверочных расчетов;
• формирование набора специфичных критериев оптимальности.

При проектировании РАД для приводов с ПП, как и при выборе серийных АД для этих приводов, могут использоваться также такие критерии как масса, габариты, стоимость двигателя или диапазонные критерии — энергетические показатели двигателя и приведенные затраты. Особые диапазонные критерии оптимальности обуславливают специфику их определения. В частности, энергетические показатели — КПД и коэффициент мощности, приведенные затраты должны рассматриваться в виде эквивалентных усредненных значений для всего диапазона регулирования. При необходимости в состав критериев включаются аналогичные критерии приводов в целом. В ряде случаев может применяться обобщенный критерий, представляющий собой скалярную свертку вышеуказанных критериев с различными коэффициентами их значимости. В установившихся режимах специфика работы РАД заключается, прежде всего, в том, что в каждой рабочей точке двигатель питается определенным по качественно-количественному составу полигармоническим напряжением, зависящим от типа, вида регулирования, закона управления преобразователя, и работает в общем случае с определенным нагрузочным моментом. В разных рабочих точках диапазона регулирования значения параметров схем замещения двигателя различны. Они определяются с учётом вытеснения токов в обмотках и насыщения магнитной цепи машины. Эти особенности положены в основу оптимизационно-поисковых расчетов.

Задача адаптации электромашинной части регулируемых ЭП к специфическим условиям работы решается как задача структурно-параметрической оптимизации РАД. Трудоемкость задачи проектирования обусловлена не только необходимостью формирования множества рациональных структур РАД, но и необходимостью решения задачи параметрической оптимизации для каждой сформированной структуры. По своей направленности задачи структурного синтеза можно разделить на внутренние (относящиеся к АД) и внешние (относящиеся к системе привода). Задачей параметрической оптимизации является определение такого набора значений управляемых переменных некоторой сформированной структуры электропривода и входящего в него РАД, при котором целевая функция имеет наилучшее значение. При этом выполняются все требования и ограничения, оговоренные в задании на проектирование. Множество структур РАД с оптимизированными параметрами является информационным базисом для выбора оптимального варианта РАД.

Системный подход предусматривает рассмотрение всех аспектов функционирования РАД. Поэтому при проектном синтезе РАД используется ряд подсистем, с помощью которых осуществляются поверочные расчеты. К их числу относятся расчеты механических и виброакустических показателей, неустановившихся режимов работы. Проектные ММ подсистем так же, как и модели оптимизационно-поисковых расчетов, являются комплексными, составленными из ММ входящих в привод элементов, и в них выполнен учёт рассмотренной выше специфики. При наличии в техническом задании на проектирование РАД активных ограничений, прямо не связанных с электромагнитными, электромеханическими, тепловыми процессами, задача условной оптимизации решается на основе сочетания методов уступок по критериям и релаксации ограничений.

Использование информационных технологий автоматизированного проектного синтеза, прикладного математического и программного обеспечения позволяет реализовать следующие варианты:

• проектирование и производство серий РАД на основе тщательного анализа рынка потребления;
• разработка РАД для использования в регулируемых ЭП конкретных электромеханических систем;
• редизайн АД, использующегося в настоящее время в определенных регулируемых ЭП с целью их адаптации к специфическим условиям работы.

История создания первого электродвигателя — Экологические автомобили Экологические автомобили

Из истории электромобиля мы знаем, что первый электродвигатель появился раньше двигателя внутреннего сгорания. Как это было… Работы Андре-Мари Ампера, объединившие два разобщенных ранее явления — магнетизм и электричество, вдохновили другого гениального ученого — Майкла Фарадея. Открытия Ампера, Эрстеда и Араго побудили английского физика заняться вопросом о превращении магнитной и электрической энергии в механическую. В 1821 году поставленная задача была решена с помощью специального прибора, в котором было продемонстрировано явление непрерывного электромагнитного вращения.

После удачного эксперимента Фарадей поставил себе новую задачу о превращении магнетизма в электричество. Явление, составляющее основу современной электроэнергетики, было открыто английским ученым лишь через десять лет. Оно было названо электромагнитной индукцией. Спустя 3 года русский физик Эмилий Ленц, обобщив проделанные Фарадеем опыты, сформулировал новый фундаментальный закон, дававший возможность безошибочно определить направление индуцированного тока.

Так называемый принцип обратимости был доказан Ленцем не только теоретически, но и экспериментально: катушка, при ее вращении между полюсами магнита, генерировала электрический ток, обратная реакция заключалась в том, что катушка начинала вращаться, если в нее посылали ток. Исследование английского физика и опыты русского академика сыграли решающую роль в истории электродвигателя и развитии всего электромашиностроения в целом.

Первые попытки создания электродвигателя

Разработки теоретических предпосылок моментально дали толчок для создания первых электродвигателей и генераторов электрического тока. В 1824 году английский физик и математик Питер Барлоу с помощью прибора наглядно продемонстрировал возможность превращения электрической энергии в механическую. Колесо Барлоу представляло собой два горизонтально расположенных П-образных постоянных магнита, под которыми на одной оси размещены два медных зубчатых колеса. Когда через колеса проходил ток, они начинали вращаться в одном направлении.

При этом ученый заметил, что смена полярности контактов и полюсов магнитов изменяла и направлении вращения колес. По сути, Барлоу изобрел первый униполярный электродвигатель. Его опыт дал пищу для размышления другим изобретателям, и уже в 1831 году была представлена еще одна модель электродвигателя. На этот раз Д. Генри сделал попытку использовать для получения качательного движения отталкивание одноименных и притяжения разноименных магнитных полюсов.

Первый электродвигатель с возможностью практического применения

Модели, созданные Барлоу и Генри, представляли собой электрические устройства с качательными или возвратно-поступательными движениями малой удельной мощности, посему не имели практического применения, а о серийном производстве электромобилей даже и речи не могло быть. Первый электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала был создан в 1834 году физиком и академиком Борисом Якоби. Но стоит отметить, что впервые идею о создании более современного электродвигателя с вращательным движением высказал английский ученый В. Риччи еще в 1833 году. Был ли знаком Якоби с работой Риччи, неизвестно.

Двигатель Якоби состоял из двух групп электромагнитов. Попеременное изменение полярностей подвижных электромагнитов происходило путем специального коммутатора. Принцип этого устройства используется в некоторых современных электродвигателях. Мощность двигателя составляла всего 15 Вт, при частоте вращения ротора 80-120 об/мин.

В 1837 году Якоби обратился к Министру народного просвещения графу С. Уварову с предложением о практическом применении своего электродвигателя. О предложении русского академика было доложено Николаю I. Император дал добро на создание «Комиссии для производства опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу Якоби».

Первый электродвигатель был далеко не совершенным и, конечно же, очень слабым. Так считал и сам академик, поэтому все средства выделенные комиссии были потрачены на усовершенствование электрической схемы. В 1838 году по Неве шел катер с 12 пассажирами, среди которых были физик Ленц, адмирал Крузенштерн и сам Якоби. Шлюпка крайне удивила гуляющих в тот день по набережной — никто из ее пассажиров не греб веслами.

Заменил гребцов электродвигатель мощностью 0.6 кВт, питаемый от 320 гальванических элементов. Испытания прошли весьма удачно, и сенсационная новость о первом практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру.

Видео: создание простейшего электродвигателя

ПЭД — Википедия

ПЭД (Погружной электрический двигатель)— Погружные двигатели являются приводом ЭЦН, преобразующим электрическую энергию, которая подается по силовому трехжильному кабелю сверху в зону подвески установки, в механическую энергию вращения насосов.

ПЭД входит в состав погружной части установки электро-погружного насоса используемых для откачки пластовой жидкости из нефтедобывающих скважин.

Благодаря изобретению погружного электродвигателя стало возможным изобретение погружного электроцентробежного насоса.

Первый погружной электродвигатель был изобретен в Екатеринославе во время Первой мировой войны, первые ПЭД использовались в качестве привода бура для нужд армии.

Изготовление погружного электродвигателя велось по идее выпускника Петроградского политехнического института Армаиса Арутюнова

После Октябрьской революции 1917 г. Арутюнов Эмигрировал в Австрию, где на одном из насосных заводов начал работать над применением русского патента в качестве привода к погружным насосам для водоотлива в шахтах и на кораблях, для водоподъема из дренажных скважин. А затем переехав в США, Арутюнов организовал в штате Калифорния небольшую мастерскую по изготовлению по выданному в 1926 г. ему патенту погружных электронасосов для добычи нефти. В 1927 г. нефтяная компания Филипс Петролиум, заинтересовавшись новой технологией подъёма жидкости из скважины, построила завод и создала фирму REDA Pumps Co (аббревиатура от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff) в г. Бартлсвилле (штат Оклахома), руководство которой было поручено А. С. Арутюнову. Первый погружной электродвигатель в составе установки погружного центробежного насоса был спущен в скважину в 1928 г.

В нашей стране работа по созданию погружных электроприводов для электробуров и погружных электронасосов было возобновлено в начале 30-х годов в Бюро глубоководных электрических машин Гормашинпроэкта группой специалистов (А. П. Островским, Н. Г. Григоряном, И. В. Александровым, А. А. Богдановым и др.) Однако Великая Отечественная война 1941—1945 гг. не позволила довести работы до промышленного внедрения. И лишь после окончания Великой Отечественной войны в специально созданном в 1950 г. особом конструкторском бюро по конструированию, исследованию и внедрению глубинных бесштанговых насосов (ОКБ БН) удалось широко развернуть научно-исследовательские, конструкторские и другие работы по разработке, организации производства и внедрению погружных центробежных установок для добычи нефти, горнорудной промышленности и сельского водоснабжения. Основателем ОКБ БН был Богданов Александр Антонович. Армарис Арутюнов оказал большую помощь советским специалистам при создании ОКБ БН. Но применение ПЭД в составе УЭЦН в нефтедобывающей промышленности СССР началось во время Великой Отечественной войны в 1943 г., когда из США по лендлизу были получены 53 установки фирмы REDA. А первый отечественный погружной двигатель в составе УЭЦН был спущен 20 марта 1951 г. в скважину № 18/11 треста «Октябрьнефть» объединения «Грознефть». В настоящее время отечественными производителями погружных электродвигателей являются: «Лысьванефтемаш», «Новомет»-Пермь, «Алмаз»-Радужный, ООО «АЛНАС», БЭНЗ-Бугульма, Тюменские насосы Шлюмберже, РЭПН. Зарубежем крупнейшими производителями ПЭД являются: REDA, BAKER HUGHES, WG ESP.

Двигатель выполнен, как правило, в виде трёхфазных, асинхронных двух, четырёх, шести полюсных электродвигателей с короткозамкнутым ротором маслонаполненный и герметичный, предназначен для продолжительного режима работы от сети переменного тока частотой 50Гц. Напряжение питания промысловой сети, подводимое на скважину, может быть 380, 6000 и 10000В в зависимости от наземного оборудования. При использовании регулятора частот допускается работа двигателя при частоте переменного тока от 40 до 60Гц. Рабочее направление вращение вала — по часовой стрелке, если смотреть со стороны головки.

Принцип действия[править | править код]

Асинхронный электродвигатель состоит из неподвижной части — статора. Во внутренней части статора расположена вращающаяся часть — ротор. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы статора и ротора набирают из тонких (0,5 мм) листов электротехнической стали изолированных друг от друга лаком. В пазы статора уложена обмотка статора (три катушки, сдвинутых на 120°). В пазах ротора короткозамкнутая обмотка. При включении обмотки статора в трехфазную сеть возникает вращающееся магнитное поле статора, частота вращения которого n1. вращающееся поле статора наводит в обмотке ротора ЭДС. Наведенная ЭДС создает токи в обмотке ротора. Взаимодействие этих токов с полем статора создает вращающий момент и ротор вращается в сторону вращения поля статора с частотой n2. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму. Направление вращения магнитного поля статора, следовательно, и вращение ротора зависят от порядка чередования фаз напряжения подводимого к обмотке статора. Частота вращения ротора n2, называемая асинхронной, всегда меньше частоты вращения поля n1 так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного двигателя. Разность вращения n1 и n2 называется скольжением и обозначается буквой S=(n1-n2)/n1 * 100 %. Скольжение зависит от нагрузки двигателя. В момент пуска S=1. С уменьшением нагрузки скольжение уменьшается. При n1=n2 S=0 и вращающего момента не будет. У большинства электродвигателей S = до 6 %. В процессе работы двигателя циркуляция масла обеспечивается либо специальной турбинкой, установленной в верхней части ротора, либо пятой, которая имеет радиальные отверстия. Масло поднимается снизу вверх по центральному каналу вала, через радиальные отверстия в валу поступает для смазки подшипников и разбрасывается турбинкой в верхней лобовой части статора. Затем по зазору между ротором и статором опускается в основание и через фильтр обратно в центральный канал вала. Для нормальной работы турбинки необходимо чтобы в верхний торец вала был установлен специальный винт, перекрывающий внутренний канал вала.

Устройство ПЭД[править | править код]

Статор[править | править код]

Статор — это корпус из специальной трубы, в который запрессован магнитопровод из листовой электротехнической стали. В пазы статора уложена трехфазная обмотка, соединенная в звезду.

Ротор[править | править код]

Ротор представляет собой набор пакетов, разделенных между собой промежуточными подшипниками и последовательно надетыми на вал. Вал ротора выполнен пустотелым для обеспечения циркуляции масла. Пакеты ротора набраны из электротехнической стали, в пазы ротора уложены медные стержни сваренные по торцам с медными кольцами.

Головка ПЭД[править | править код]

Головка ПЭД — это сборочная единица, расположенная в верхней части двигателя, в которой помещен узел упорного подшипника, состоящий из пяты и подпятника, крайних радиальных подшипников ротора, узлов токоввода и пробки, через которую производится закачка масла в двигатель при монтаже.

Нижнее основание[править | править код]

Расположено в нижней части двигателя, в котором размещен фильтр для очистки масла, обратный клапан для закачки масла в двигатель, перепускной клапан и магниты для улавливания продуктов износа. Нижнее основание также является узлом к которому стыкуется дополнительное подвесное оборудование УЭЦН для этого нижняя часть основания выполнена в виде фланца или имеет внутреннюю резьбу диаметром 60 мм.

ПЭД мощностью более 100 кВт производятся в двух- и трехсекционном исполнении. По сути это 2 или 3 двигателя, фазы которых соединены последовательно, в связи с чем напряжение секций складывается, а ток остаётся общим для всех секций. Все секции в сборе плюс гидрозащита представляют собой герметичную систему, заполненную маслом, циркулирующим по всему двигателю.

• Энциклопедический справочник лопастных насосов для добычи нефти и их применение. Ш. Р. Агеев, Е. Е. Григорян, Г. П. Макиенко, Пермь 2007