Асинхронный (индукционный) двигатель (АД) – устройство, преобразовывающий электрическую энергию в механическую. «Асинхронный» означает разновременный. Электродвигатели асинхронные питаются от сети переменного тока.

Особенности асинхронных двигателей

Применение

Такие электродвигатели (частотные преобразователи) не используются в сетях постоянного тока. Но они имеют широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. По статистике, до 70% электроэнергии, которая преобразуется в механическую энергию поступательного либо вращательного движения, потребляется именно индукционными электродвигателями.

Асинхронная машина не подключается к сети постоянного тока.

Асинхронные частотные преобразователи не требуют сложного производства и просты по своей конструкции, но в тоже время очень надежны. Такие двигатели могут работать от однофазной и трехфазной сети, используя разные частоты. Преобразователи не подходят для сетей постоянного тока. Для их управления применяют сравнительно несложные схемы.

При выборе асинхронного двигателя зачастую возникают проблемы с определением:

• его мощности;
• характеристик и приемлемой схемы, с помощью которой осуществляется управление электродвигателем;
• расчетом мощности конденсаторов, которые нужны, чтобы преобразователь работал от одной фазы;
• марки и сечения провода;
• устройств защиты и управления, которыми оснащен преобразователь.

Чтобы во всем этом разобраться, необходимо знать устройство и особенности работы асинхронного агрегата. Это поможет правильно подобрать преобразователь для решения конкретной задачи.

Индукционный агрегат свое название получил благодаря тому, что магнитное поле вращается с более высокой скоростью, чем сам ротор, поэтому последний всегда пытается «догнать» скорость вращения поля.

Устройство АД

Ротор и статор – главные элементы индукционного двигателя.

Схема устройства асинхронного агрегата

Схема: вал (1), подшипники (2,6), лапы (4), крыльчатка (7), статор (10), коробка выводов (11), ротор (9), кожух вентилятора (5), щиты подшипниковые (3,8).

На рисунке представлено устройство типового агрегата. Статор АД имеет форму цилиндра. Внутренняя часть имеет размеры, обеспечивающие зазор между ротором и статором. В пазах сердечника расположены обмотки. Их оси для нормальной работы расположены относительно одна другой под углом 1200. Между собой концы обмоток собираются с помощью схемы «звезда» либо «треугольник», но это зависит непосредственно от напряжения. Ротор может быть фазным либо короткозамкнутым.

Ротор вращается по ходу движения магнитного поля.

Трехфазную обмотку устанавливают на фазный ротор, она напоминает обмотку статора. С одной стороны концы обмотки фазного ротора обычно соединяются в «звезду», а свободные концы подсоединяются к контактным кольцам. Для включения в цепь обмотки фазного ротора дополнительного сопротивления используются щетки, подключенные к кольцам. Такая конструкция не предназначена для работы в цепях постоянного тока, так как необходимое вращение обеспечивает изменение фазы.

Короткозамкнутый ротор – это сердечник, который сделан из стальных листов. Пазы в короткозамкнутом роторе заполняются расплавленным алюминием, в результате чего получаются стержни, замыкаемые накоротко торцевыми кольцами.

Таким короткозамкнутым ротором создаются условия для минимального электрического сопротивления. Эта конструкция получила название «беличья клетка» или «беличье колесо».

Конструкция «беличья клетка»

В короткозамкнутом роторе повышенной мощности пазы заполняются медью или латунью. Беличье колесо – это и есть короткозамкнутая обмотка ротора.

В зависимости от подключаемой фазы индукционный агрегат подразделяется на однофазный и трехфазный. С помощью учета данного параметра различают принцип действия асинхронного двигателя.

Однофазная индукционная машина

Чаще всего индукционный однофазный двигатель переменного тока устанавливается в бытовой технике, так как электроснабжение дома осуществляется от однофазной электросети. Преимуществом таких двигателей переменного тока является достаточно прочная конструкция и низкая стоимость, отсутствие сложных схем управления.

Они вполне подходят для длительной работы, так как не нуждаются в техническом обслуживании. Обычно однофазный двигатель малой мощности – до 0,5 кВт. Такие электродвигатели устанавливаются в стиральных машинах, компрессорах холодильников и другой бытовой технике, где ротором создается небольшая скорость вращения, сравнительно небольшой объем силы тока.

Схема работы однофазного двигателя малой мощности

В однофазных индукционных агрегатах на статоре установлено управление ротором от двух обмоток, которые сдвинуты одна от другой на 900 тока для образования пускового момента. Одна обмотка является пусковой, а вторая – рабочей.

Однофазные электродвигатели не подходят для сетей постоянного тока. Они характеризуются низкими энергопоказателями и малой перегрузочной способностью. Агрегаты функционируют в нормальном режиме, если не нарушен определенный диапазон частоты поля. После начала вращения устройство управления подключает рабочую обмотку. Это позволяет уменьшить потребление энергии.

В электрических приводах с обычным запуском устанавливаются, как правило, однофазные индукционные двигатели, имеющие экранированные полюса. В таком асинхронном электродвигателе в качестве вспомогательной фазы выступают короткозамкнутые витки, имеющие минимальные сопротивления, размещенные на выраженных полюсах статора.

Учитывая то, что пространственный угол, образованный витком и осями основной фазы, гораздо меньше 900, в таком электродвигателе есть эллиптическое поле. С помощью него создаются сравнительно небольшие силы, чем и объясняются невысокие рабочие и пусковые свойства индукционных электродвигателей, оснащенных экранированными полюсами с фазным включением.

Индукционные однофазные электродвигатели, имеющие короткозамкнутый ротор подразделяются на:

• с усиленным сопротивлением фазы пуска;
• агрегаты с короткозамкнутым ротором, оснащенные рабочим конденсатором;
• оснащенные фазным пусковым конденсатором;комбинированные с фазным управлением, короткозамкнутым ротором;
• комбинированные с фазным управлением, короткозамкнутым ротором;
• с экранированными полюсами.

Трехфазный двигатель

В трехфазной индукционной машине обмотка предназначена для образования вращающегося по кругу магнитного поля, которое проходит через короткозамкнутую обмотку ротора. Созданные с фазным управлением аппараты не применяются в цепях постоянного тока. При прохождении поля через проводники обмотки статора образуется электродвижущая сила, которая и вызывает прохождение переменного тока в обмотке, управляющей ротором, имеющим собственное магнитное поле. Данное магнитное поле при взаимодействии с фазным магнитным вращающимся полем статора вызывает вращение определенной частоты вслед за полями между ним и ротором.

Схема работы индукционного трехфазного агрегата

Данный принцип разработал академик из Франции Араго. Иными словами, если подковообразный магнит установить вблизи металлического диска свободно закрепленным на оси и вращать его с поддержанием определенной частоты оборотов, то металлический диск без дополнительного управления начнет движение за магнитом, однако скорость его вращения будет меньше, чем скорость движения магнита.

Данное явление обусловлено правилами электромагнитной индукции. Во время вращения около поверхности металлического диска полюсов магнита в контурах под полюсом образуется электродвижущая сила соответствующей частоты, и возникают токи, создающие магнитное поле металлического диска. Магнитное поле диска начинает взаимодействовать с полем полюсов вращающегося магнита, в результате чего диск «увлекается» своим магнитным полем.

Так и в асинхронном агрегате, в качестве металлического диска выступает короткозамкнутая обмотка ротора, а в качестве магнита – магнитопровод и обмотка статора.

Чтобы облегчить управление и запуск трехфазного электродвигателя при к однофазной сети (переменного, а не постоянного тока), на момент пуска дополнительно устанавливается параллельно с рабочим и пусковой конденсатор. Им компенсируют отсутствие фазы и соответствующей частоты поля.

Запуск трехфазного двигателя

Двигатель в работе. Видео

О том, как работает асинхронный двигатель в режиме генератора, можно посмотреть в этом видео. Здесь представлены дельные советы по оптимизации процесса, в том числе и те, которые относятся к схемам управления фазным вращением.

Таким образом, зная особенности работы индукционной машины, с уверенностью можно сказать, что преобразование в механическую энергию электрической происходит в результате вращения вала электродвигателя (ротора).

Скорость вращения магнитного поля ротора и статора напрямую зависит от частоты питающей сети и количества пар полюсов. В случае, когда тип двигателя ограничивает число пар полюсов, то для управления изменением частоты питающей сети в больший диапазон используют частотный преобразователь.

Выше рассмотрены особенности управления фазным вращением. Также приведены отличия конструкции с короткозамкнутым минимальным ротором, который используется для уменьшения сопротивления. Следует помнить, что устройство некоторых агрегатов подразумевает возможность их применения только в цепях постоянного тока. Преобразователи с фазным вращением работают при питании переменным током.

Англоязычный справочник называет асинхронный электродвигатель индукционным. Сразу точки встают над i. Интернет забит вопросами отличий данного типа машин, нюансы коллекторных, синхронных движков, на деле выходит просто. Единственный вид двигателей, создающий полюсы явлением индукции. Прочие конструкции применяют постоянные магниты, катушки, питаемые током… Только в индукционных (асинхронных) двигателях используются наводки, создающие движущую силу. Фактор определяет особенность – отличие скорости вращения вала от частоты поля.

Устройство асинхронного двигателя

Начнем простейшим распространенным вариантом: питание переменным током подается на обмотки статора. Посмотрите фото: типичный образчик статора. Вынув ротор, нельзя сказать, какому типу двигателей принадлежит сердечник, увитый медью. Получили главный вывод: статор не определяет методику формирования движущей силы. Скорее выступает опорой, относительно которой действует статор.

Видим составной сердечник, содержащий две катушки. Направление намотки создает два явных полюса. Нельзя назвать сгущения напряженности поля северным или южным, поскольку направление линий постоянно меняется (с удвоенной частотой сети 100 Гц). Сборка ведется следующим образом:

1. Катушки мотают отдельно. Конструкторы знают, сколько витков нужно, каким проводом вести.
2. Полученный моток надевают аккуратно на распорки магнитопровода (традиционной формы буквы Т). Для изоляции прокладывают слой винила, другого полимера.
3. Затем концы обмоток чуть пригибают к периферии, витки плотно упираются в основание буквы Т.
4. В нашем случае сердечник составной, внутренняя часть катушками вставлена во внешнее кольцо. Но чаще конструкция попроще.

Сердечник собирается из пластин, изолированных друг от друга при помощи лака. Идет работа асинхронного электродвигателя на 230 вольт, переменное поле наводит вихревые токи, вызывая эффект перемагничивания. Чтобы снизить потери, сердечник разбивается на пластины. Специальная сталь, легированная добавками кремния обеспечивает низкий коэффициент электропроводности.

Статор электрического двигателя

В бытовых асинхронных электродвигателях полюсов статора два. Встречаются исключения из правила. На другом снимке видим статор асинхронного двигателя напольного вентилятора с тремя скоростями. Полюсов восемь, чтобы запитать такую кучу железа, понадобился конденсатор. Сдвигает фазу напряжения на минус 90 градусов относительно тока. Становится возможным создать переменное вращающееся поле внутри статора. Данный тип асинхронных двигателей называется конденсаторным.

Первым две фазы использовать предложил Никола Тесла.

Схема выглядит следующим образом:

1. Четыре обмотки, лежащие в вершинах креста запитываются сетью 230 вольт. Две – противолежащие – имеют один знак полюса, прочие – другой. Получается, поле вращается с половинной скоростью сети (25 Гц). Этого хватает исправной работе вентилятора.
2. Плавный пуск асинхронного электродвигателя и работы возможны только в условиях, когда поле сглажено. Для этих целей применяются четыре обмотки, лежащие по диагоналям. Здесь напряжение сдвинуто на 90 градусов. Использованием вспомогательных катушек технические характеристики улучшаются.

Как подстраиваются обороты? Регуляторы скорости асинхронного электродвигателя коммутируют обмотку. Клавиатура управления устроена в каждый момент времени допускать нажатие одной кнопки, либо никакой. Восемь обмоток имеют пару отводов. Статором производится нужная коммутация, некоторые ветви запитываются конденсатором. Нажатие каждой кнопки включает в работу часть обмотки. Полностью статор работает на высшей скорости.

Принцип работы схемы

Примерная схема, демонстрирующая принцип работы, иллюстрируется фото. Скорость вращения задается коммутацией обмоток кнопками 1, 2, 3. Необходимость защиты от одновременного включения диктуется требованиями к нормальной работе устройства. В результате реализуется простейшими методами управление по скорости.

Сердечник магнитопровода составлен листами электротехнической стали, снижающей потерь на нагрев. Температура может достигать значительных размеров, поэтому ротор асинхронного двигателя вентилятора снабжается лопастями (см. фото). Любой вентилятор реально может только разогревать воздух, никак не наоборот.

Роторы асинхронных двигателей

Ротор асинхронного двигателя

В данном случае двигатель обеспечит долговременную работу. Поэтому ротор снабжен лопастями тангенциального вентилятора. Помогает охладить конструкцию жаркими летними ночами. Хозяин может спокойно спать, игнорируя возможность пожара. Любой хороший прибор работает аналогичным образом (себя охлаждает). В данном случае двигатель сконструирован по схеме с короткозамкнутым ротором. На валу сидит барабан, где в силумин утоплены медные жилы. Закорочены друг на друга кольцевым соединителем. Подобное техническое решение в литературе традиционно называется беличьей клеткой (колесом) в силу очевидных причин.

Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель является доминирующим в быту. Поля в проводниках наводятся статором, затем происходит сцепление через эфир, вал набирает обороты. Никогда не догонит частоту сети. Потому что индукционные токи обращаются в нуль, сцепление нарушается. Вал тормозит, снова подхватывается полем. Подобным образом действуют однофазные асинхронные электродвигатели, любые другие. В сущности, нет разницы, при помощи чего создается переменное поле.

Выделяют ещё одно большое семейство. Устройство асинхронного электродвигателя принципиально иное. Ротор снабжен обмотками, как коллекторный мотор. Обычно трехфазные. Это позволит навести гораздо более сильные поля, возникает крупная проблема: сложно стронуть с места вал. Огромная напряженность поля образует невероятной силы сцепление, за счет чего имеется возможность выхода оборудования из строя. Кроме того вал вообще так не раскрутится.

Вот поэтому для уменьшения силы наведенных токов (напряженности поля) в цепи всех фаз ротора врубается реостат. Активное сопротивление мешает ЭДС развить мощность на валу: некоторая доля рассеивается джоулевым теплом, формируемым активным сопротивлением. Стартовый момент асинхронного двигателя с фазным ротором достаточно велик, срыва оборотов не происходит. Понятно, что значение сопротивлений реостата для каждой конструкции свое. Определяют цифру ротор асинхронного электродвигателя, заданные характеристики, стартовая нагрузка.

Обратите внимание, что во всех случаях с асинхронными двигателями наблюдаем большие потери. Особенно хорошо видно на примере реостата. Мощность асинхронного электродвигателя напрямую тратится на рассеиваемое тепло. Главным достоинство рассматриваемого класса приборов все-таки считаются простота конструкции и обслуживания. В противном случае любые типы асинхронных электродвигателей заброшены бы были на помойку истории.

Как работает асинхронный двигатель

Статор создает вращающееся магнитное поле. Направление линий напряженности определяется правилом буравчика (правой руки). Поэтому статор пока отложим в сторону, попробуем понять, что параллельно происходит на роторе. Начнем беличьей клеткой.

Внутри статора находится поле, линии напряженности которого в первом приближении направлены к центру, где находится вал. Пересекают проводник беличьей клетки под углом близким 90 градусам. По правилу правой руки переменное поле индуцирует ЭДС, порождающую ток. В результате возникает ответ.

Любая пара проводников беличьей клетки обращается в рамку. Вокруг вращается поле статора. По правилу руки возникает ответное поле, направленное противоположно исходному:

1. Ротор движется медленнее статора. Пусть вращение описывает часовую стрелку.
2. В какой-то момент северный полюс начинает догонять один из проводников беличьей клетки.
3. Ток направлен так, что круговые линии напряженности ответного магнитного поля идут навстречу полюсу.
4. Получается, впереди по курсу полюс наталкивается на одноименный знак заряда, начинает толкать его. Позади образуется «юг», старающийся бежать вслед полю.

Простое краткое объяснение того, почему беличья клетка, в конце концов, начинает вращаться. Ротор не должен быть слишком тяжелым, сцепление полей не очень сильное. Это объясняет низкое тяговое усилие, развиваемое асинхронным двигателем на старте. Пусковой ток высок, поскольку ничто не препятствует генерации поля внутри статора. Обратите внимание: в роторе однофазного асинхронного двигателя, показанного на фото в начале статьи, проводники беличьей клетки чуть наклонены к оси барабана. Помогает создать более равномерный магнитный полюс, компенсируя недостатки (в первую очередь неравномерность) вращения поля статора.

Фазный ротор состоит из обмоток, нормаль которых направлена примерно на центр двигателя (вал). Можно каждую представить гипертрофированной ячейкой беличьей клетки. Витков много (в дрелях, к примеру, порядка 40), сила поля намного выше. За счет резкого скачка на старте потребляемая энергия стала бы слишком большой. Уровень ЭДС значителен (определен скоростью изменения магнитного потока). Цепь ротора дополняется реостатом, пытаются компенсировать недостаток. Активное сопротивление понижает ток, закономерно снижая ответное поле, генерируемое проводниками.

Фазный ротор может улучшить характеристики асинхронных электродвигателей, два-три проводника (грубо говоря) дают большее тяговое усилие. К минусам технического решения относят наличие токосъемников, щеточного аппарата. Для снижения износа в некоторых асинхронных двигателях после набора оборотов ротор закорачивается специальным механизмом. Намного продляется жизнь оборудования.

Не видим причин рассматривать подробнее фазный ротор, лучшей иллюстрацией послужит усиленная беличья клетка. Представьте себе: вместо одной стало сорок штук! Количество (от 40 и вниз) регулируется сопротивлением реостата.

Как задать обороты асинхронного двигателя

Любой, в том числе асинхронный трехфазный, электродвигатель неспособен развить обороты близкие частоте поля. Количество полюсов стремятся снизить. Но даже в этом случае редко удается достичь желанных 3000 об/мин (50 Гц х 60 сек). В принципе невозможно. Увеличение количества полюсов статора практикуется для понижения оборотов, как показано выше на примере напольного вентилятора.

Чаще практикуется подключение асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на трехфазный регулятор амплитуды. Методика позволит максимально просто добиться результата. Токи асинхронных электродвигателей велики на старте, «благодаря» потерям сердечника ротора (с ростом оборотов снижаются). Нельзя сказать, что ремонт своими руками статоров относится к категории простых, но намного лучше, нежели перематывать ротор коллектора. Простотой конструкции объясняется любовь промышленности к этому роду устройств.

Что можно сказать об электродвигателе? Такой мотор является таким электромеханическим девайсом, который преобразует электрическую энергию в механическую энергию. В случае работы переменного тока, который является трёхфазным, наиболее часто применяющимся мотором является трехфазный индукционный мотор, ведь данный вид мотора не требует никакого стартового устройства. Можно также сказать, что данный двигатель является самозапускающимся индукционным мотором.

Для того чтобы лучше понять принцип действия трёхфазного индукционного двигателя , необходимо иметь достаточно чёткое представление об основной особенности, которая присуща конструкции данного мотора. Данный электродвигатель имеет две части, которые можно назвать основными. А именно, это статор и ротор. Чтобы хорошо представлять себе работу данного устройства нужно знать достаточно об этих составляющих.

Статор

Статор данного индукционного двигателя сделан из определённого количества слотов, для того чтобы получилась трёхфазная обмотка, которая подключена к источнику переменного тока, являющегося трёхфазным. Трёхфазная обмотка размещена в слотах таким образом, что она производит магнитное поле, которое является вращающимся. Это происходит после третьей фазы. Обмотка должна получать питание в виде переменного тока.

Ротор

Ротор данного индукционного мотора содержит многослойный сердечник, который имеет цилиндрическую форму. Этот сердечник с параллельными слотами, которые могут держать элементы, проводящие электрический ток. В роли таких элементов в данном случае выступают тяжёлые медные или алюминиевые стержни, которые подходят к каждому слоту и они замкнуты конечными кольцами.

Слоты не то что бы абсолютно параллельны оси вала. Они несколько скошены. Это обусловлено тем, что такое расположение уменьшает магнитный гудящий шум и может помочь избежать потери скорости данного мотора

О том, как работает этот двигатель

Создание магнитного поля, которое вращается

Статор мотора содержит смещённые перекрытые обмотки. Электрический угол смещения составляет 120º. Тут основная обмотка или же статор подключены к источнику тока, который является переменным и трёхфазным. Это обстоятельство уже, в свою очередь, служит причиной возникновения такого магнитного поля, которое вращается, причём вращается оно с синхронной скоростью.

Секреты вращения:

Согласно закону Фарадея “электродвижущая сила, которая вызвана в какой-либо электрической схеме, является следствием процента изменения магнитного потока, который идёт через схему”. Так как обмотка ротора в индукционном моторе тоже замкнута через внешнее сопротивление или прямо замкнуто замыкающим кольцом, и отрезает магнитное поле статора (вращающееся), электродвижущая сила появляется на медном стержне ротора, и благодаря этой силе электрический ток течёт через элемент ротора, который специально для этого предназначен.

Здесь относительная скорость между вращающемся магнитным потоком и статичным проводящим элементом ротора является причиной возникновения электрического тока. Отсюда, исходя из закона Ленца, ротор будет вращаться непосредственно в том же направлении, чтобы относительная скорость уменьшилась.

Таким образом, исходя из принципа действия этого электрического двигателя, можно заметить, что скорость, которую имеет ротор, не должна достигать синхронной скорости, которая производится статором. Если скорости были бы равны, то не было бы такой относительной скорости, так что не возникало бы и электродвижущей силы в роторе, не было бы потока электрического тока, и поэтому не было бы крутящего момента.

Следовательно, ротор не может достичь синхронной скорости. Разница между скоростью статора (синхронная скорость) и скоростью ротора называется проскальзыванием. Вращение магнитного поля в индукционном двигателе имеет преимущество, что не нужны никакие электрические связи с ротором.

Пора подвести итоги. Из перечисленных выше особенностей трехфазного индукционного мотора следует, что:

— Данный электродвигатель самозапускающийся и не нуждается в помощи какого-то другого элемента для своего старта.

— Этот мотор имеет меньше противодействия арматуры и искрообразования на щётках в силу того, что отсутствуют коммутаторы и щётки, которые могут вызывать образование искр.

— Электродвигатель данного типа прочен по конструкции, что, конечно же, является большим плюсом.

— Мотор экономичный, что делает его интересным решением во многих областях; соответственно, данный двигатель имеет неплохие перспективы, ведь он будет достаточно популярен и востребован.

— Данный электродвигатель довольно лёгок в обслуживании, что опять же позволяет назвать его перспективным, ведь данное качество интересно любому пользователю подобных устройств, который понимает важность этого нюанса.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Cтраница 2

В нулевую группу входят однофазные системы с трех-и двухлучевыми индукционными двигателями, а также системы с магнесинами и с ферродинамометрами.  

Асинхронные машины, в виде трехфазных асинхронных двигателей (индукционные двигатели), приобретают в: е большее значение. Причиной является простая конструкция их и главным образом все большее распространение районных станций, распределяющих электрическую энергию в форме трехфазного тока.  

В том случае, когда пуск станка может производиться включением индукционного двигателя нормальной конструкции и мощности, близкой к той, которая потребляется станком во время его работы, вопрос должен решаться в принципе в сторону отказа от главной сцепной муфты. В остальных случаях необходимо принять в расчет при сравнении варианта с муфтой и без нее удорожание двигателя (если оно имеет место), стоимость вспомогательных устройств и аппаратуры управления, а также специфические недостатки, присущие указанным выше способам пуска. Решение в пользу сохранения муфты или отказа от нее определяется результатами технико-экономического расчета для сравниваемых вариантов. Так как главная фрикционная муфта станка является одновременно элементом, предохраняющим станок от поломок при случайном возрастании крутящего момента сныше установленной нормы, то в случае отказа от муфты обязательно должны быть предусмотрены автоматически действующие механические предохранительные устройства или электрическая аппаратура, выполняющая ту же функцию.  

В системах с несущей частотой этот метод получения резонансных комплексных нулей посредством присоединения параллельных ветвей осуществляется индукционным двигателем для демодуляции, схемой из массы, пружины и демпфера для создания резонансного контура п демодулирующим индукционным датчиком. Выходной сигнал индукционного датчика вычитается из сигнала входа. Это также создает два комплексных нуля относительно частоты сигнала информации (огибающей) или четыре комплексных нуля относительно модулированной несущей.  

Трансформаторы с подвижной обмоткой (потен-циал-регуля-юры), предназначенные для более высоких напряжений, выполняются в форме индукционного двигателя с закрепленным якорем, который переставляется в зависимости от требующегося дополнительного напряжения, складывающегося последовательно с основным.  

В качестве двигателей для следящих систем могут быть использованы как сериесные, так и шунтовые двигатели постоянного тока, а также индукционные двигатели переменного тока.  

Трудно сказать, как развивались бы работы в области электричества, если бы были усовершенствованы термоэлектрические машины Зеебека, построенные за пятьдесят лет до того, как получил признание индукционный двигатель Фара-дея. Но этого не случилось, и сейчас термоэлектрические генераторы во много раз менее эффективны, чем магнитные генераторы, и только чрезмерная простота термоэлементов гарантирует возможность их практического применения в малой энергетике. В равной степени со стоимостью и технологией изготовления важную роль играют размеры и вес термоэлементов. Однако наиболее важным является их кпд, определяемый как температурами 7 и Т2, при которых работает термобатарея, так и физическими свойствами материала термоэлемента.  

Трудно сказать, как развивались бы работы в области электричества, если бы были усовершенствованы термоэлектрические машины Зеебека, построенные за пятьдесят лет до того, как получил признание индукционный двигатель Фара-дея. Но этого не случилось, и сейчас термоэлектрические генераторы во много раз менее эффективны, чем магнитные генераторы, и только чрезмерная простота термоэлементов гарантирует возможность их практического применения в малой энергетике. В равной степени со стоимостью и технологией изготовления важную роль играют размеры и вес термоэлементов. Однако наиболее важным является их кпд, определяемый как температурами Тг и 7, при которых работает термобатарея, так и физическими свойствами материала термоэлемента.  

Согласно последней формуле при прочих равных условиях электромеханическая постоянная времени индукционного двигателя тем больше, чем больше скорость холостого хода. Индукционные двигатели находят применение в системах переменного тока различной частоты: от 50 до 1 000 гц. Поскольку увеличение частоты означает увеличение скорости холостого хода, это одновременно приводит к росту электромеханической постоянной времени. Для примера можно указать, что среднее значение Тэы для индукционных двигателей на 50 гц составляет около 0 03 - 0 05 сек, а для двигателей на 400 гц - около 0 1 - 0 2 сек.  

Согласно формулам (3 - 33) при прочих разных условиях электромеханическая постоянная времени индукционного двигателя тем больше, чем больше скорость холостого хода. Индукционные двигатели находят применение в системах переменного тока различной частоты: от 50 до 1 000 гц. Поскольку увеличение частоты означает увеличение скорости холостого хода, это одновременно приводит к росту электромеханической постоянной времени. Для примера можно указать, что среднее значение Тэы для индукционных двигателей на 50 гц составляет около 0 05 - 0 07 сек, а для двигателей на 400 гц - около 0 2 - 0 3 сек.  

Сложнее дело обстоит в случае регулируемых приводов. Индукционный двигатель трехфазного тока сам по себе следует считать практически почти нерегулируемым. Однофазные репульсионные двигатели, конкурирующие при малых мощностях с трехфазными коллекторными, в силу худшего использования материала постепенно вытесняются трехфазными. Подобно тому как это имело место в области электрической тяги, в ряде промышленных установок происходит борьба между постоянным и переменным током у регулируемых приводов. В случае единичных регулируемых установок порядка нескольких сот kW, например нереверсивные прокатные станы, шахтные вентиляторы, регулируемые воздуходувки, когда пределы регулировки не превышают 1: 2, применяются каскадные агрегаты в виде сист. Установки трехфазных коллекторных двигателей большой мощности (300 - 400 kW) чрезвычайно редки. Реверсивные прокатные станы (номинальной мощностью в 2 000 - 5 000 kW), требующие регулировки в широких пределах (до 200 - 300 %) номинальной скорости, приводятся исключительно двигателями постоянного тока, питаемыми от трехфазной сети по сист. В случае нескольких регулируемых установок большой и средней мощности, расположенных вместе, применяются теперь двигатели постоянного тока (напр, бумагоделательные машины, прокатные металлургич. При пределах регулировки больше чем 1: 3, для регулирования широко применяется система Леонарда; она же используется в таких случаях и для пуска в ход. США и Франции применяется постоянный ток; этот род тока принят и в СССР для вновь строящихся металлургич. В Германии эк е динамостроительные з-ды усиленно пропагандируют внедрение в эту область индукционных двигателей. Коллекторные двигатели переменного тока, для таких тяжелых условий работы непригодны.  

Известным недостатком двигателей переменного тока является их сравнительно большой вес, в 2 - 3 раза превышающий вес двигателей постоянного тока той же мощности. Однако высокая надежность индукционных двигателей (отсутствие щеток, требующих осмотра я смены) во многих случаях компенсируют указанный недостаток.  

Часть 3: История Теслы

Кристи Николсон вспоминает свою первую встречу с Илоном Маском на одной из вечеринок в 1989 году.

«Кажется, со второго предложения он заявил, что очень много раздумывает об электрических автомобилях», – сказала Кристи. «А потом он повернулся ко мне и спросил, думаю ли я тоже об электромашинах?»

В 1989 году электрокары были достаточно странным предметом для размышлений. Чтобы понять причины, по которым Маск так был одержим мыслями об электромашинах, давайте сначала попытаемся разобраться, что вообще такое электромобили и как они работают.

В настоящее время достаточно много типичных современных машин, которые считаются более экологически чистыми по сравнению с их бензиновыми аналогами – гибридные машины, заряжаемые гибридные машины, электрические машины (или электромобили, ЭМ). Также сейчас часто обсуждается другой вид машин – автомобили на водородном топливе. Общей чертой перечисленных выше автомобилей является наличие электродвигателя.

Существует два вида электромоторов – индукционный двигатель переменного тока и вентильный двигатель постоянного тока. Ввиду того, что читающие данные строки вряд ли уже смакуют губы в предвкушении насладиться ликбезом длиной на три абзаца о различиях, давайте для простоты считать их примерно одинаковыми.

Электродвигатель – это своего рода сосиска в тесте , где электричество подаётся на внешнюю неподвижную мучную часть (статор), заставляющее сосиску (ротор) крутиться. Ротор соединён с осью, которая и вращает колёса. Как-то вот так:

Как работает индукционный мотор переменного тока

Одним из наиболее типичных электродвигателей является индукционный мотор переменного тока (именно такие установлены в машинах Тесла). Индукционным он называется, т.к. отсутствует физический контакт между ротором и статором – электричество в статоре создаёт вращающееся магнитное поле, которое проникает в ротор посредством электрической индукции и вызывает его вращение.

Статор генерирует вращающееся магнитное поле посылая электричество через трёх-фазовую систему:

Всего имеется три различных провода, каждый с чередующейся (переменной) тягой – просто посмотрите на стрелку одного цвета и вы увидите, что она бегает туда-сюда. Но эти три провода расположены таким образом, что направление тяги статора постепенно меняется по кругу. При добавлении ротора в такое магнитное поле заставляет его вращаться:

Идея в том, что ротор никогда не может оказаться там, где он «хочет» находится – он постоянно вынужден бегать за направлением поля статора. Эта «погоня» и приводит автомобиль в движение. Индукционный мотор переменного тока был изобретён Николя Теслой, именно поэтому Тесла Моторз и названа в его честь (открывший индукцию Фарадей был на втором месте в списке кандидатов в название).

Следующие типы машин используют электродвигатель.

Гибридные машины (гибриды, гибридные электрические автомобили) несут на своём борту одновременно и электродвигатель, и бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Гибриды не втыкают в розетку – горящий бензин заряжает их батарею. Также батарея заряжается с помощью электромотора при торможении автомобиля. Как правило, джоули кинетической энергии машины во время движения оказываются потерянными при торможении и уходят в виде тепла. При регенеративном торможении часть этой кинетической энергии посылается обратно в аккумулятор, чтобы использоваться позднее. Электрический компонент гибридной машины замещает часть потребности в сжигании бензина, увеличивая расстояние, которое способна проехать машина при том же расходе топлива. Снижаются выхлопы, уменьшаются расходы на бензин. Гибриды – огромный технологический шаг по сравнению с обыкновенными автомобилями.

Но гибриды всё равно не ахти. Почему? Они только частично улучшают ситуацию с выхлопами, но не решают её – им же всё равно необходим бензин для движения. Мир, где люди на 100% передвигаются с помощью Приусов, всё равно остаётся миром в 100%-ой зависимости от нефти.

Втыкаемые в розетку гибридные машины слегка получше обыкновенных гибридов. Подобные машины (Шеви Вольт, Хонда Аккорд, Форд Фьюжн Энерджи) позволяют подзаряжать батарею автомобиля дома и, как правило, способны проехать около 16-64 км на заряде батареи, прежде чем начнётся потребление бензина. Обычно этого оказывается достаточно для большинства людей с их ежедневными потребностями – иными словами, водители могут обходиться без нужды заправляться бензином длительное время.

Но если мы подобрались так близко с электромоторами и батареями – почему же не пойти до самого конца?

Водородные машины являются полностью электрическими, но они не используют батарею. Вместо этого их нужно заправлять топливом наподобие бензиновой машины – только вместо бензина они потребляют сжатый водород. Водород смешивается с кислородом воздуха для генерирования электроэнергии, которая и питает двигатель автомобиля. Данные машины не выделяют выхлопов, т.к. продуктом сгорания является чистая вода. Здорово ведь.

Маск же не понимает , как некоторые могут приводить доводы за использования водородных автомобилей – в свою очередь большое число автомобильных компаний (Тойота, Хонда, Дженерал Моторз) в настоящее время вливают огромные средства в производство водородных машин. Чтобы разобраться в противоречиях, я прочитал 12 статей за и против данной технологии. В результате я не остался сильно убеждённым, почему водородные автомобили ждёт многообещающее будущее по сравнению с электрокарами.

Из массы недостатков водородных машин по сравнению с электрическими можно ограничиться лишь следующими:

1) Водородные машины для производства их топлива в итоге оказываются зависимы от природного газа (ископаемое горючее), в то время как производство электричества для электромобилей становится со временем только чище.

2) Запас энергии, расстояние пробега и стоимость водородных топливных элементов оказываются очень схожими с показателями батарей для электромашин, а батареи электромобилей со временем будут улучшаться и дешеветь в производстве.

3) Водород является достаточно опасным и непростым в обращении веществом, особенно очевидным это становится в сравнении с электророзетками для подзарядки электромашин.

4) В будущем, когда в норму войдёт подзарядка машины в собственном гараже, заезд на заправку будет казаться чем-то нелепым и архаичным.

А вот мнение Маска из нашей имейл переписки касательно водородных машин: «Если вы используете электричество солнечной панели для зарядки аккумулятора, то можно достичь 90% производительности. Просто и дёшево. Ежели вы попытаетесь с помощью электричества сперва разложить воду, затем отделить водород до немыслимой чистоты, сжать его до невероятного давления (или что хуже – перевести в жидкую форму), перекачать в огромный (даже для жидкого варианта) водородный бак машины и, в конце-концов, соедините топливо с кислородом – то при большом везении, вам удастся добиться 20% производительности. Дорого, сложно, громоздко и супер неэффективно. Водород проигрывает на всех уровнях, включая время заправки бака по сравнению с заменой батареи Теслы на заряженную. Стоимость водородных топливных элементов высока. Подумайте сами – если бы топливные элементы хоть в чём-то превосходили литиевые батареи – их бы как минимум использовали в спутниках, некоторые из которых стоят более $500 миллионов. Но этого не происходит.»

Наконец, мы подобрались к электромобилям (или ЭМ) типа Ниссан Лиф, БМВ ай3, Форд Форкус Электрик и Тесла Модел Эс. Электрокары просты в устройстве – они состоят из большой батареи, которую вы периодически заряжаете, и электромотора питающегося от неё. И никакой жидкости.

В теории ЭМ вполне оправданы. Давайте попробуем забыть все остальные машины на секунду и взглянем на преимущества электромотора по сравнению с бензиновым двигателем внутреннего сгорания:

Электродвигатели в большинстве случаев более удобны, чем их бензиновые аналоги . Машины на бензине вынуждены ездить на заправку. Обладатели ЭМ, как и свой телефон, втыкают свои транспортные средства на ночь в розетку для подзарядки – никаких остановок для покупки бензина. Бензиновый двигатель гораздо более сложен в устройстве по сравнению с электромотором. Бензиновый мотор состоит из более чем 200 деталей, электрический – менее чем из десяти. Бензиновым двигателям необходима коробка передач (трансмиссия), система выхлопа, шестерёнки и куча других покрытых маслом херовин. В ЭМ все эти компоненты отсутствуют, если вы заглянете под капот – вы обнаружите пустое пространство вроде багажника. Бензиновые двигатели нуждаются в моторном масле – отсюда необходимы периодические заезды на сервис для его замены. ЭМ это ни к чему. Дополнительная сложность в устройстве бензиновых машин означает, что они требуют больше обслуживания по сравнению с электромобилями.

Стоимость питания электромотора гораздо ниже стоимости питания бензинового двигателя. Даже без учёта дополнительных расходов на замену масла и ремонт, сам по себе бензин стоит гораздо дороже электричества. Давайте взглянем на цифры.

В среднем электромобиль может проехать 5 км потратив один киловатт-час (кВт⋅ч) электричества. В США стоимость кВт⋅ч составляет 12 центов. Отсюда получается, что проехать один километр на электромобиле стоит около 2,5 цента.

Высчитать стоимость для бензиновой машины немного сложнее, т.к. цены на бензин нестабильны, а расход топлива бензиновых машин сильно варьирует. При лучших раскладах в условиях необычно дешёвого бензина ($0,40 за литр) и низкого расхода топлива (скажем, 15 км/л) стоимость проехать один километр составляет те же 2,5 цента. В худшем случае при ценах на бензин в $1.08 за литр и расходе в 6 км/л проехать один километр уже стоит 18 центов. При характерном годовом пробеге в 19 тысяч км в самом лучшем варианте бензиновые машины показывают такие же результаты, как и электромобили, а в плохом варианте кататься год на бензине стоит на $3000 дороже.

Автомобили с бензиновыми двигателями являются одной из двух наиболее значимых причин в развитии энергетического и климатического кризисов. Выше мы уже обсуждали данный аспект – транспорт, сжигающий нефть, ответственен за треть всех мировых выбросов, ведёт к загрязнению городов, ставит одни страны в зависимость от других. Электромоторы функционируют без выхлопов. Да, они потребляют электроэнергию, произведённую в том числе и грязным способом, но мы обсудим этот вопрос немного позднее.

Очевидно именно поэтому Маск поведал Кристи Киколсон о своих раздумьях об электромашинах. Электромотор определённо проще, чище и является более разумным долговременным решением для использования в автомобилях.

Но при своём первом появлении, произошедшем более ста лет назад, электромоторы обладали рядом существенных недостатков, которые и предотвратили их широкое применение. А ввиду того, что электромашины перестали производиться ещё тогда, недостаточно времени и денег оказалось вложено для решения всё тех же самых недостатков. Как правило, выделяют три основных беспокойства касательно жизнеспособности электроавтомобилей:

1) Дальность. В действительности здесь заключены три следующих проблемы:

А) Хватит ли заряда батареи для поездок на дальние расстояния? Или же ЭМ годятся только для местных поездок?

Б) Куда податься в случае необходимости подзарядить батарею в пути? Не окажусь ли я на нуле посреди поля?

В) Если всё-таки удастся отыскать станцию подзарядки в пути, придётся ли мне ждать пять часов для полного заряда батареи?

Вышеперечисленные вопросы потенциальных покупателей электромашин относятся к т.н. «беспокойствам о дальности».

2) Разгон. Наиболее распространённый электромобиль в нынешние дни – машинка для перемещения по полю для игры в гольф, что не особо возбуждает автовладельцев. Никто не хочет авто, которое управляется как кусок кала, а если говорить о стремительном ускорении, на ум, как правило, приходят мощные бензиновые двигатели, а не электромоторы.

3) Цена. С самого начала электромобили стоили дороже своих бензиновых аналогов, в основном из-за высокой стоимости батареи.

Сто лет назад, в 1910 году, люди указывали на те же самые три основных проблемы электромобилей, что отчасти является причиной, почему бензиновые автомобили со временем стали доминировать на рынке. У бензиновых автомобилей имелась куча собственных проблем, но Форд умело разобрался, как с ними можно справится – он в своё время совершил то, чего никто не смог сделать для электромашин.

Я поинтересовался мнением Маска о Генри Форде. Вот его ответ: «Форд был человеком, который при появлении препятствий на своём пути, умел находить обходы – он просто-напросто решал проблемы. Он был способен сфокусироваться на нуждах потребителя, даже если сам потребитель толком не мог сообразить, что же ему нужно.»

Когда же в 2003 году Маск завершил раздумья об электромашинах и взялся, собственно, их делать, шансы были отнюдь не на его стороне. Продолжали существовать слишком большие препятствия для входа на рынок, не позволяющие автомобильным стартапам преуспеть практически в течение целого века. В условиях неучтённой стоимости углеродных выбросов, открывать компанию по продвижению электрокаров было сродни игры в баскетбол, где все остальные игроки кроме тебя могут безнаказанно совершать фолы. Доминирующие гигантские нефтяные компании делали всё в своих силах, чтобы срезать на корню любую попытку в продвижении электромашин. Более того, электрокары являлись новым типом автомобилей, развитие которых фактически оказалось остановлено с момента, когда первые производители опустили руки век назад. Дорогостоящий и долгий процесс по навёрстыванию упущенного всё ещё предстояло пройти – все из трёх перечисленных недостатков ЭМ всё ещё нужно было каким-то образом преодолеть.

Встаёт главный вопрос – электромашины не смогли преуспеть в прошлом из-за наличия неразрешимых проблем или же просто до сих пор не нашлось человека, который бы оказался своего рода Генри Фордом для электромобилей?