Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как сделать из асинхронного двигателя синхронный генератор


Генератор из асинхронного двигателя - схема, как сделать своими руками?

Генератор асинхронного или индукционного типа представляет собой особую разновидность устройств, использующую переменный ток и имеющую способность воспроизведения электроэнергии. Главной особенностью является совершение довольно быстрых поворотов, которые делает ротор, по скорости вращения этого элемента он в значительной степени превосходит синхронную разновидность.

Одним из главных преимуществ является возможность использования данного устройства без существенных преобразований схемы или длительного настраивания.

Однофазную разновидность индукционного генератора можно подключить путем подачи на него необходимого напряжения, для этого потребуется подсоединение его к источнику питания. Однако, ряд моделей производит самовозбуждение, эта способность позволяет им функционировать в режиме, независимом от каких-либо внешних источников.

Осуществляется это благодаря последовательному приведению конденсаторов в рабочее состояние.

Схема генератора из асинхронного двигателя

схема генератора на базе асинхронного двигателя

В фактически любой машине электрического типа, сконструированной по типу генератора, имеются 2 разные активные обмотки, без которых невозможно функционирование устройства:

  1. Обмотка возбуждения, которая находится на специальном якоре.
  2. Статорная обмотка, которая отвечает за образование электрического тока, данный процесс происходит внутри нее.

Для того, чтобы наглядно представить и точнее понять все процессы, происходящие во время функционирования генератора, наиболее оптимальным вариантом будет подробнее рассмотреть схему его работы:

  1. Напряжение, которое подается от аккумулятора или любого иного источника, создает магнитное поле в якорной обмотке.
  2. Вращение элементов устройства вместе с магнитным полем можно реализовать разными способами, в том числе и вручную.
  3. Магнитное поле , вращающееся с определенной скоростью, порождает электромагнитную индукцию, благодаря чему в обмотке появляется электрический ток.
  4. Подавляющее большинство используемых на сегодняшний день схем не имеет возможностей для обеспечения якорной обмотки напряжением, это связано с наличием в конструкции короткозамкнутого ротора. Поэтому, вне зависимости от скорости и времени вращения вала, питающие клеммы устройства все равно будут обесточены.

При переделывании двигателя в генератор, самостоятельное создание движущегося магнитного поля является одним из основных и обязательных условий.

Устройство генератора

Перед тем, как предпринимать какие-либо действия по переделыванию асинхронного двигателя в генератор, необходимо понять устройство данной машины, которое выглядит следующим образом:

  1. Статор, который оснащен сетевой обмоткой с 3 фазами, размещенной по его рабочей поверхности.
  2. Обмотка организована таким образом, что напоминает по своей форме звезду: 3 начальных элемента соединяются между собой, а 3 противоположных стороны соединены с контактными кольцами, которые не имеют никаких точек соприкосновений между собой.
  3. Контактные кольца имеют надежный крепеж к валу ротора.
  4. В конструкции имеются специальные щетки, которые не совершают никаких самостоятельных движений, но способствуют включению реостата с тремя фазами. Это позволяет осуществлять изменение параметров сопротивления обмотки, находящейся на роторе.
  5. Нередко, во внутреннем устройстве присутствует такой элемент, как автоматический короткозамыкатель, необходимый для того, чтобы закоротить обмотку и остановить реостат, находящийся в рабочем состоянии.
  6. Еще одним дополнительным элементом устройства генератора может являться специальное приспособление, которое разводит щетки и контактные кольца в тот момент, когда они проходят стадию замыкания. Подобная мера способствует значительному уменьшению потерь, отводимых на трение.

Изготовление генератора из двигателя

Фактически, любой асинхронный электродвигатель можно собственными руками переделать в устройство, функционирующее по типу генератора, который затем допускается использовать в быту. Для этой цели может подойти даже двигатель, взятый из стиральной машинки старого образца или любого иного бытового оборудования.

Чтобы данный процесс был благополучно реализован, рекомендуется придерживаться следующего алгоритма действий:

  1. Снять слой сердечника двигателя, благодаря чему будет образовано углубление в его структуре. Осуществить это можно на токарном станке, рекомендуется снять 2 мм. по всему сердечнику и проделать дополнительные отверстия с глубиной около 5 мм.
  2. Снять размеры с полученного ротора, после чего из жестяного материала изготовить шаблон в виде полосы, который будет соответствовать габаритам устройства.
  3. Установить в образовавшемся свободном пространстве неодимовые магниты, которые необходимо заранее приобрести. На каждый полюс потребуется не менее 8 магнитных элементов.
  4. Фиксацию магнитов можно осуществить при помощи универсального суперклея, но необходимо учитывать, что при приближении к поверхности ротора они будут менять свое положение, поэтому их необходимо крепко удерживать руками пока каждый элемент не приклеится. Дополнительно рекомендуется использовать во время этого процесса защитные очки, чтобы избежать попадания брызг клея в глаза.
  5. Обернуть ротор обычной бумагой и скотчем, который потребуется для ее фиксации.
  6. Торцовую часть ротора залепить пластилином, что обеспечит герметизацию устройства.
  7. После совершенных действий необходимо произвести обработку свободных полостей, между магнитными элементами. Для этого оставшееся между магнитами свободное пространство необходимо залить эпоксидной смолой. Удобнее всего будет прорезать специальное отверстие в оболочке, преобразовать его в горлышко и залепить границы при помощи пластилина. Внутрь можно заливать смолу.
  8. Дождаться полного застывания залитой смолы, после чего защитную бумажную оболочку можно устранить.
  9. Ротор необходимо зафиксировать при помощи станка или тисков, чтобы можно было провести его обработку, которая заключается в шлифовании поверхности. Для этих целей можно использовать наждачную бумагу со средним параметром зернистости.
  10. Определить состояние и предназначение проводов, выходящих из двигателя. Двое должны вести к рабочей обмотке, остальные можно обрезать, чтобы не запутаться в дальнейшем.
  11. Иногда процесс вращения осуществляется довольно плохо, чаще всего причиной являются старые износившиеся и тугие подшипники, в таком случае их можно заменить новыми.
  12. Выпрямитель для генератора можно собрать из специальных кремниевых диодов, которые предназначены именно для этих целей. Такж,е потребуется контроллер для зарядки, подходят фактически все современные модели.

После совершения всех названных действий, процесс можно считать завершенным, асинхронный двигатель был преобразован в генератор такого же типа.

Оценка уровня эффективности – выгодно ли это?

Генерация электрического тока электродвигателем вполне реальна и реализуема на практике, основной вопрос заключается в том, насколько это выгодно?

Сравнение осуществляется в первую очередь с синхронной разновидностью аналогичного устройства, в котором отсутствует электрическая цепь возбуждения, но несмотря на этот факт, его устройство и конструкция не являются более простыми.

Обуславливается это наличием конденсаторной батареи, являющейся крайне сложным в техническом плане элементом, который отсутствует у асинхронного генератора.

Основное преимущество асинхронного устройства заключается в том, что имеющиеся в наличии конденсаторы не требуют какого-либо обслуживания, поскольку вся энергия передается от магнитного поля ротора и тока, который вырабатывается в ходе функционирования генератора.

Создаваемый во время работы электрический ток фактически не имеет высших гармоник, что является еще одним значимым преимуществом.

Иных плюсов, кроме названных, асинхронные устройства не имеют, но зато обладают рядом существенных недостатков:

  1. В ходе их функционирования отсутствует возможность по обеспечению номинальных промышленных параметров электрического тока, который вырабатывается генератором.
  2. Высокая степень чувствительности даже к малейшим перепадам параметров рабочих нагрузок.
  3. При превышении параметров допустимых нагрузок на генератор, будет зафиксирована нехватка электричества, после чего подзарядка станет невозможной и процесс генерации будет остановлен. Для устранения этого недостатка, часто используют батареи со значительной емкостью, которые имеют особенность изменять свой объем в зависимости от величины оказываемых нагрузок.

Электрический ток, который вырабатывается асинхронным генератором, подвержен частым изменениям, природа которых неизвестна, она носит случайный характер и никак не объясняется научными доводами.

Невозможность учета и соответствующей компенсации таких изменений объясняет то факт, что подобные устройства не обрели популярность и не получили особого распространения в наиболее серьезных отраслях промышленности или бытовых делах.

Функционирование асинхронного двигателя как генератора

В соответствии с принципами, по которым функционируют все подобные машины, работа асинхронного двигателя после преобразования в генератор происходит следующим образом:

  1. После подключения конденсаторов к зажимам, на обмотке статоров происходит ряд процессов. В частности, в обмотке начинается движение опережающего тока, который создает эффект намагничивания.
  2. Только при соответствии конденсаторов параметрам необходимой емкости, происходит самовозбуждение устройства. Это способствует возникновению симметричной системы напряжения с 3 фазами на статорной обмотке.
  3. Значение итогового напряжения будет зависеть от технических возможностей используемой машины, а также от возможностей используемых конденсаторов.

Благодаря описанным действиям происходит процесс преобразования асинхронного двигателя короткозамкнутого типа в генератор с подобными характеристиками.

Применение

В быту и на производстве такие генераторы широко применяются в различных сферах и областях, но наиболее востребованы они для выполнения следующих функций:

  1. Использование в качестве двигателей для ветряных электростанций, это одна из наиболее популярных функций. Многие люди самостоятельно изготавливают асинхронные генераторы для задействования их в этих целях.
  2. Работа в качестве ГЭС с небольшой выработкой.
  3. Обеспечение питанием и электроэнергией городской квартиры, частного загородного дома или отдельного бытового оборудования.
  4. Выполнение основных функций сварочного генератора.
  5. Бесперебойное оснащение переменным током отдельных потребителей.

Советы по изготовлению и эксплуатации

Необходимо обладать определенными навыками и знаниями не только по изготовлению, но и по эксплуатации подобных машин, помочь в этом могут следующие советы:

  1. Любая разновидность асинхронных генераторов вне зависимости от сферы, в которой они применяются, является опасным устройством, по этой причине рекомендуется провести его изоляцию.
  2. В процессе изготовления устройства необходимо продумать монтаж измерительных приборов, поскольку потребуется получение данных о его функционировании и рабочих параметрах.
  3. Наличие специальных кнопок, с помощью которых можно управлять устройством, в значительной степени облегчает процесс эксплуатации.
  4. Заземление является обязательным требованием, которое необходимо реализовать до момента эксплуатации генератора.
  5. Во время работы, КПД асинхронного устройства может периодически снижаться на 30-50%, побороть возникновение этой проблемы не представляется возможным, поскольку этот процесс является неотъемлемой частью преобразования энергии.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Индукционный генератор

в качестве ветроэнергетического генератора Индукционный генератор

в качестве ветроэнергетического генератора Статья Учебники по альтернативной энергии 19/06/2010 26/05/2020 Учебники по альтернативной энергии

Пожалуйста, поделитесь / добавьте в закладки:

Индукционный генератор

в качестве энергии ветра Генератор

Вращающиеся электрические машины обычно используются в ветроэнергетических системах, и большинство этих электрических машин могут функционировать как двигатель или генератор, в зависимости от их конкретного применения.Но помимо синхронного генератора , который мы рассматривали в предыдущем уроке, есть еще один более популярный тип 3-фазной ротационной машины, который мы можем использовать в качестве ветрогенератора, называемый индукционным генератором .

Как синхронный генератор, так и индукционный генератор имеют одинаковое фиксированное расположение обмоток статора, которое при подаче питания от вращающегося магнитного поля создает трехфазное (или однофазное) выходное напряжение.

Тем не менее, роторы двух машин весьма различны, поскольку ротор индукционного генератора обычно состоит из одного из двух типов устройств: «беличья клетка» или «намотанный ротор».

Однофазный индукционный генератор

Индукционный генератор Конструкция основана на очень распространенном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором, поскольку они дешевы, надежны и легко доступны в широком диапазоне электрических размеров - от дробных машин до нескольких -мегаваттные мощности делают их идеальными для использования как в ветроэнергетике, так и в быту и в быту.

Кроме того, в отличие от предыдущего синхронного генератора, который должен быть «синхронизирован» с электрической сетью, прежде чем он сможет генерировать электроэнергию, индукционный генератор может быть подключен непосредственно к электросети и приводится в движение лопастями ротора турбины с переменной скоростью ветра, так как это принес с линии на месте

Для экономии и надежности многие ветряные турбины используют асинхронные двигатели в качестве генератора, которые приводятся в движение через механическую коробку передач для увеличения скорости вращения, производительности и эффективности. Однако индукционные генераторы требуют реактивной мощности, обычно предоставляемой шунтирующими конденсаторами в отдельных ветряных турбинах.

Асинхронные машины также известны как Асинхронные машины , то есть они вращаются ниже синхронной скорости при использовании в качестве двигателя и выше синхронной скорости при использовании в качестве генератора.Таким образом, при вращении быстрее, чем его обычная рабочая скорость или скорость без нагрузки, индукционный генератор вырабатывает электричество переменного тока. Поскольку асинхронный генератор синхронизируется напрямую с основной энергосистемой, то есть вырабатывает электроэнергию с той же частотой и напряжением, выпрямители или инверторы не требуются.

Тем не менее, индукционный генератор может подавать необходимую мощность непосредственно в сеть электроснабжения, но ему также требуется реактивная мощность для ее подачи, которую обеспечивает сеть электроснабжения.Автономная (автономная) работа индукционного генератора также возможна, но недостатком здесь является то, что генератору требуются дополнительные конденсаторы, подключенные к его обмоткам для самовозбуждения.

Трехфазные индукционные машины очень хорошо подходят для ветроэнергетики и даже гидроэнергетики. Индукционные машины при работе в качестве генераторов имеют неподвижный статор и вращающийся ротор, как и для синхронного генератора. Однако возбуждение (создание магнитного поля) ротора выполняется по-разному, и типичная конструкция ротора представляет собой короткозамкнутую конструкцию, в которой токопроводящие стержни встроены в корпус ротора и соединены вместе на своих концах с помощью коротких колец, как показано на рисунке. ,

Конструкция индукционного генератора

Как уже упоминалось в начале, одним из многих преимуществ асинхронной машины является то, что она может использоваться в качестве генератора без каких-либо дополнительных схем, таких как возбудитель или регулятор напряжения, когда она подключена к трехфазное питание. Когда незанятый асинхронный генератор подключен к сети переменного тока, напряжение подается в обмотку ротора, аналогично трансформатору с частотой этого индуцированного напряжения, равной частоте приложенного напряжения.

Поскольку токопроводящие стержни короткозамкнутых роторов короткозамкнуты вместе, вокруг них протекает большой ток, и внутри ротора создается магнитное поле, которое вызывает вращение машины.

Поскольку магнитное поле клетки ротора следует магнитному полю статора, ротор разгоняется до синхронной скорости, заданной частотой сети. Чем быстрее вращается ротор, тем меньше относительная разность скоростей между каркасом ротора и полем вращающегося статора и, следовательно, напряжение, наведенное на его обмотку.

Когда ротор приближается к синхронной скорости, он замедляется, поскольку ослабляющего магнитного поля ротора недостаточно для преодоления потерь на трение ротора в режиме холостого хода. В результате ротор вращается медленнее, чем синхронная скорость. Это означает, что асинхронная машина никогда не сможет достичь своей синхронной скорости, так как для ее достижения не будет тока, наведенного в короткозамкнутый ротор, магнитного поля и, следовательно, крутящего момента.

Разница в скорости вращения между магнитным полем вращения статора и скоростью вращения ротора в асинхронных машинах называется «скольжением».Должен существовать проскальзыватель, чтобы на валу ротора был крутящий момент. Другими словами, «проскальзывание», которое является описательным способом объяснить, как ротор постоянно «проскальзывает» от синхронизации, представляет собой разницу в скорости между синхронными скоростями статоров, заданную как: n с = ƒ / P в оборотах в минуту, и фактическая скорость вращения роторов n R также в оборотах в минуту, и которая выражается в процентах, (% -скольжение).

Тогда дробное скольжение s индукционной машины задается как:

Это скольжение означает, что работа асинхронных генераторов, таким образом, является «асинхронной» (несинхронизированной) и чем выше нагрузка, приложенная к асинхронному генератору, тем выше В результате проскальзывания, поскольку более высокие нагрузки требуют более сильных магнитных полей.Большее скольжение связано с большим наведенным напряжением, большим током и более сильным магнитным полем.

Таким образом, для асинхронной машины, работающей в качестве двигателя, ее рабочая скорость всегда будет меньше скорости вращения поля статора, а именно синхронной скорости. Чтобы асинхронная машина работала как генератор, ее рабочая скорость должна быть выше номинальной синхронной скорости, как показано на рисунке.

Характеристики крутящего момента / скорости индукционной машины

В состоянии покоя вращающееся магнитное поле статора имеет одинаковую скорость вращения как по отношению к статору, так и ротору, так как частота токов ротора и статора одинакова, поэтому в состоянии покоя скольжение положительно и равно единице (s = +1).

На синхронной скорости разница между скоростью и частотой вращения ротора и статора равна нулю, поэтому на синхронной скорости электричество не потребляется и не вырабатывается, а проскальзывание равно нулю (s = 0).

Если скорость генератора приводится во вращение выше этой синхронной скорости с помощью внешних средств, результирующий эффект будет состоять в том, что ротор будет вращаться быстрее, чем вращающееся магнитное поле статора, а полярность индуцированного напряжения и тока ротора меняется на противоположную.

Результатом является то, что скольжение теперь становится отрицательным (s = -1), и асинхронная машина генерирует ток с ведущим коэффициентом мощности обратно в электросеть. Мощность, передаваемую в виде электромагнитной силы от ротора к статору, можно увеличить, просто повернув ротор быстрее, что приведет к увеличению количества генерируемой электроэнергии. Характеристики крутящего момента асинхронного генератора (s = от 0 до -1) являются отражением характеристик асинхронного двигателя (s = от +1 до 0), как показано.

Скорость асинхронного генератора будет изменяться в зависимости от силы вращения (момента или момента), приложенной к нему энергией ветра, но он будет продолжать вырабатывать электричество, пока его скорость вращения не упадет ниже холостого хода. На практике разница между скоростью вращения при пиковой генерирующей мощности и на холостом ходу (синхронная скорость) очень мала - всего несколько процентов от максимальной синхронной скорости. Например, 4-полюсный генератор с синхронной скоростью холостого хода 1500 об / мин, подключенный к электросети с током 50 Гц, может генерировать свою максимальную генерируемую мощность, вращающуюся только на 1–5% выше (от 1515 до 1575 об / мин). , легко достигается с помощью коробки передач.

Это очень полезное механическое свойство, заключающееся в том, что генератор будет немного увеличивать или уменьшать свою скорость при изменении крутящего момента. Это означает, что на коробке передач будет меньше износ, что приведет к низкому техническому обслуживанию и длительному сроку службы, и это является одной из наиболее важных причин для использования индукционного генератора , а не синхронного генератора на ветряной турбине, которая напрямую подключена к электросети.

Индукционный генератор вне сети

Мы видели выше, что индукционный генератор требует намагничивания статора от электросети, прежде чем он сможет генерировать электричество.Но вы также можете запустить индукционный генератор в автономной автономной системе, подавая необходимый синфазный возбуждающий или намагничивающий ток от конденсаторов возбуждения, подключенных к клеммам статора машины. Это также требует наличия некоторого остаточного намагничивания в рельсах утюга ротора при запуске турбины. Типичная схема трехфазной индукционной машины с короткозамкнутым ротором для использования вне сети показана ниже. Конденсаторы возбуждения показаны в виде звезды (звезды), но также могут быть подключены треугольной (треугольной) конфигурации.

Генератор индуктивного запуска конденсатора

Конденсаторы возбуждения - это стандартные пусковые конденсаторы двигателя, которые используются для обеспечения требуемой реактивной мощности для возбуждения, которая в противном случае была бы подана электросетью. Индукционный генератор будет самовозбуждаться с использованием этих внешних конденсаторов, только если ротор имеет достаточный остаточный магнетизм.

В режиме с самовозбуждением на выходную частоту и напряжение генератора влияют скорость вращения, нагрузка турбины и значение емкости в фарадах конденсаторов.Затем, чтобы произошло самовозбуждение генератора, должна быть минимальная скорость вращения для величины емкости, используемой через обмотки статора.

«Индукционный генератор с самовозбуждением» (SEIG) является хорошим кандидатом для применения в ветряных электростанциях, особенно в условиях переменной скорости ветра и в отдаленных районах, поскольку им не требуется внешний источник питания для создания магнитного поля. Трехфазный индукционный генератор может быть преобразован в однофазный индукционный генератор с переменной скоростью путем подключения двух конденсаторов возбуждения через трехфазные обмотки.Одно из значения C величины емкости на одной фазе и другое значения 2C величины емкости на другой фазе, как показано.

Однофазный выход 3-фазного индукционного генератора

При этом генератор будет работать более плавно, приближаясь к единице (100%) коэффициента мощности (PF). В однофазном режиме можно получить почти трехфазный КПД, обеспечивающий примерно 80% максимальной производительности машины. Однако при преобразовании трехфазного источника питания в однофазный источник питания следует соблюдать осторожность, поскольку однофазное выходное напряжение между линиями будет вдвое больше номинальной обмотки.

Индукционные генераторы хорошо работают с однофазными или трехфазными системами, которые подключены к коммунальному обслуживанию или в качестве автономного генератора с автоматическим возбуждением для небольших ветровых применений, позволяющих работать с переменной скоростью. Однако асинхронные генераторы требуют реактивного возбуждения для работы на полной мощности, поэтому они идеально подходят для подключения к энергосистеме как часть системы ветроэнергетики, связанной с сеткой.

Чтобы узнать больше о «индукционных генераторах», или получить больше информации о энергии ветра о различных доступных системах генерации ветряных турбин, или изучить преимущества и недостатки использования индукционных генераторов как части системы ветряных турбин, подключенных к сети, нажмите здесь, чтобы Получите свою копию одной из лучших трехфазных книг по индуктивному генератору с самовозбуждением прямо из Amazon сегодня.

Индукционный генератор

в ветроэнергетических системах

2.1. Модель энергии ветра и ветротурбины

В качестве типичной кинетической энергии энергия ветра извлекается через лопасти ветротурбины, а затем передается через редуктор и ступицу ротора в механическую энергию в валу. Вал приводит в движение генератор для преобразования механической энергии в электрическую. Согласно закону Ньютона, кинетическая энергия ветра с определенной скоростью ветра В w описывается как:

, где м представляет массу ветра, а его мощность может быть записана как:

Pw = ∂ Ek∂t = 12∂m∂tVw2 = 12 (ρAVw) Vw2 = 12ρAVw3E2

, где ρ и A - это плотность воздуха и площадь смещения ротора турбины, соответственно.Таким образом, извлеченная механическая мощность может быть выражена как:

Pm = Cp (λ, β) Pw = Cp (λ, β) 12ρAVw3E3

, где P м - это механическая выходная мощность в ваттах, которая зависит от коэффициента полезного действия C p ( λ , β ), C p зависит от отношения скорости наконечника λ и угла наклона лопасти β и определяет, какая часть кинетической энергии ветра может быть захвачена ветротурбинная система. Нелинейная модель описывает C p ( λ , β ) как [3]:

Cp (λ, β) = c1 (c2-c3β-c4β2-c5) e-c6E4

, где, c 1 = 0.5, c 2 = 116 / λ i , c 3 = 0,4, c 4 = 0, c 5 = 5, c 6 = 21 / λ i и

λi = 1λ + 0,08β − 0,035β3 + 1E5

В зависимости от λ и β максимальное значение C p может быть достигнуто и поддержано путем управления углом наклона и скоростью генератора при определенной скорости ветра. Группа типичных кривых C p - λ для разных β показана на рисунке 4, и всегда есть максимальное значение для C p при одной конкретной скорости ветра.Соответственно, выходная мощность определяется различными значениями C p , а также скоростью генератора при различной скорости ветра, как показано на рисунке 5, где всегда есть одно максимальное значение мощности для каждой скорости ветра, что является целью MPPT контроль.

Рисунок 4.

Cp против кривой λ для ветряной турбины (β - угол наклона) [23]

Рисунок 5.

Кривая зависимости мощности от генератора для ветротурбины [31]

2.2. Модель и управление SCIG

Как ветроэнергетическая система с фиксированной скоростью, SCIG напрямую подключается к сети через трансформатор и, таким образом, работает практически на постоянной скорости без управления от интерфейса силовой электроники.Он широко использовался в Дании в течение 1980-х и 1990-х годов и поэтому также называется «датской концепцией». Надежная и простая конфигурация позволяет использовать такую ​​систему для многих приложений, где стоимость является более приоритетной задачей, чем эффективность. На рисунке 6 показана схема всей ветровой системы SCIG, включая ветротурбину, регулировку шага и компенсатор реактивной мощности. Вся система включает в себя три этапа доставки энергии от ветряных турбин к электросети. Первая ступень - ветроэлектростанция, которая работает с низковольтным напряжением В вес ; вторая ступень распределения имеет среднее напряжение В dis ; третья - каскад передачи по сети, который имеет высоковольтную сетку В .Трехфазные трансформаторы обеспечивают интерфейс между двумя ступенями [10]. Номинальная мощность рассматривается в качестве эталона активной мощности для регулирования угла наклона, в то время как линейное распределение напряжения и фазовый ток контролируются для обеспечения компенсации реактивной мощности для распределительной линии. Эта довольно простая методика была впервые использована, поскольку она проста, имеет прочную конструкцию, надежно работает и отличается низкой стоимостью. Тем не менее, характер с фиксированной скоростью и потенциальная нестабильность напряжения серьезно ограничивают работу системы ветра SCIG [1,3].

Рисунок 6.

Конфигурация ветроэнергетической системы SCIG

Из рисунка 5 видно, что при конкретной скорости ветра выходная активная мощность также является фиксированным значением в случае фиксированной скорости генератора. Таким образом, выходная мощность зависит исключительно от скорости ветра, пока не будет достигнута номинальная мощность. Скорость ветра при номинальной мощности называется номинальной скоростью ветра. Помимо этой скорости ветра система угла наклона будет предотвращать превышение номинальной выходной мощности. Угол наклона определяется с помощью управления разомкнутой петлей регулируемой выходной активной мощности и, как показано на рисунке 7.Из-за огромного размера лезвия и, следовательно, огромной инерции угол наклона должен изменяться с низкой скоростью и в разумных пределах. Стоит также отметить, что без реактивного источника питания система SCIG имеет тенденцию к падению напряжения в распределительной линии, что вызовет проблему перегрузки.

Рисунок 7.

Управление углом наклона

Моделирование в [23] иллюстрирует работу системы SCIG мощностью 0,855 МВт. На рисунке 8 начальная частота вращения генератора установлена ​​на уровне скольжения s = -0,01 п.н. относительно синхронной скорости, а затем реагирует на возмущение скорости ветра.Поскольку мощность меньше номинального значения (0,855 МВт) до t = 10 с, управление углом наклона не включено. С этого момента скорость ветра увеличивается, а скорость и мощность генератора увеличиваются до тех пор, пока скорость ветра не превысит номинальное значение (11 м / с), при котором сработает управление шагом, чтобы заблокировать дальнейшее увеличение выходной мощности. Таким образом, выходная мощность сохраняется на номинальном значении после этого.

Следует отметить, что частота вращения генератора может изменяться только в очень небольшом диапазоне около 1 с.и. и, таким образом, невозможно достичь оптимальной выходной мощности. Кроме того, без возможности независимого управления система SCIG потребляет реактивную мощность 0,41 Мвар в установившемся режиме, что приведет к снижению напряжения в сети. Для обеспечения необходимой реактивной мощности в распределительной линии применяется статический синхронный компенсатор (STATCOM). Как и на рисунке 9, напряжение в распределительной линии может упасть примерно на 0,055 п.н. в системе SCIG без STATCOM, что может привести к перегрузке системы. Напротив, система SCIG со STATCOM может удерживать напряжение распределения на уровне 0.99 п.о., что благоприятно для стабильности сети. Компенсированная реактивная мощность от STATCOM показана на рисунке 10 и равна 0,3 Мвар в установившемся режиме. Хотя STACOM обеспечивает впечатляющую помощь при постоянном напряжении в распределительной линии, система ветра DFIG обладает более привлекательными характеристиками.

Рисунок 8.

Контроль угла наклона для системы SCIG [23]

Рисунок 9.

Сравнение напряжений сетки между SCIG без. STACOM, SCIG w. STACOM и DFIG [23]

Рисунок 10.

Компенсированная реактивная мощность от STATCOM [23]

2.3. Модель и управление DFIG

Традиционно, динамическое управление скольжением используется для выполнения операции с переменной скоростью в системе ветра индукционного генератора, в которой обмотки ротора связаны с переменным резистором и управляют скольжением с помощью переменного сопротивления [3,11] , Этот тип системы имеет ограниченные вариации скорости генератора, но внешний источник реактивной мощности все еще необходим. Чтобы полностью устранить компенсацию реактивной мощности и независимо контролировать активную и реактивную мощность, ветроэнергетическая система DFIG является одним из самых популярных методов в приложениях ветроэнергетики [1,3,7].Ветроэнергетическая система DFIG со связанным двухконтурным преобразователем является типичной системой переменной скорости, как показано на рисунке 11, которая соответствует топологиям на рисунках 3 (a) и 2 (d). Обмотки статора генератора подключаются напрямую к сети (с фиксированным напряжением и частотой сети), а обмотки ротора питаются от ШИМ-преобразователя на основе переменного / постоянного тока / переменного тока на базе IGBT (двухконтурный преобразователь с конденсатором постоянного тока), с переменной частотой через контактные кольца и щетки. Хотя такая система нуждается в коробке передач и контактных кольцах, многие преимущества позволяют системе DFIG доминировать на большинстве ветроэнергетических рынков в настоящее время.Это облегчает изменение широкого диапазона скоростей (± 30% от синхронной скорости), снижает требования к номинальным характеристикам преобразователей мощности (30% мощности генератора) и, следовательно, снижает стоимость. Кроме того, он обладает высокой эффективностью, вызванной двунаправленным потоком мощности, и способностью выполнять компенсацию реактивной мощности и плавную интеграцию энергосистемы. В этой конфигурации двухконтурный преобразователь состоит из двух частей: преобразователя со стороны статора / сетки и преобразователя со стороны ротора. Оба являются преобразователями источника напряжения, в то время как конденсаторная батарея между двумя преобразователями действует как интерфейс постоянного напряжения.

В этом разделе сначала вводится моделирование DFIG, за которым следует последовательный алгоритм FOC, который разделен на две части: управление преобразователем на стороне статора и управление преобразователем на стороне ротора. Метод SVM и автономное управление работой также рассматриваются.

Рисунок 11.

Конфигурация ветроэнергетической системы DFIG

2.3.1. Модель DQ DFIG

Моделирование проводится в системе отсчета dq . Эквивалентные схемы DFIG в системе отсчета dq изображены на рисунке 12 (a, b) и могут быть получены зависимости между напряжением V, током I , потоком Ψ и крутящим моментом T e написав уравнения КВЛ.Для стороны статора компоненты напряжения оси d - и q - имеют вид:

Vds = RsIds − ωsΨqs + (Lls + Lm) dIdsdt + LmdIdrdt aVqs = RsIqs + ωsΨds + (Lls + Ltt bI) dI E6

И аналогично, компоненты напряжения на оси d - и q - на стороне ротора имеют вид:

Vdr = RrIdr − sωsΨqr + (Llr + Lm) dIdrdt + LmdIdsdt aVqr = RrIqr + lll ( dIqrdt + LmdIqsdt bE7

Поскольку связь потоков вдоль d - и q -осей следуют:

Ψds = LsIds + LmIdr = LsIqs + LmIqr bE8Ψdr = LRIRR LRI LRI LRI LRD в d - и q - оси, соответственно, представлены в виде:

Vds = RsIds− ωsΨqs + dΨdsdt aVqs = RsIqs + ωsΨds + dΨqsdt bE10

И напряжения ротора DFIG соответственно 9000 000 , представлены как:

Vdr = RrIdr− sωsΨqr + dΨdrdt aVqr = RrIqr + sωsΨdr + dΨqrdt bE11

Электромагнитный момент генератора соответственно определяется как:

Te = 32np (ΨdsIqs- ΨqsIds) E12

, где L с = L ls + L м ; L r = L lr + L м ; и sω с = ω с - ω r представляет разность между синхронной скоростью и скоростью генератора; нижние индексы r, s, m, d, q обозначают ротор, статор, увеличитель, d - ось и q - осевые компоненты соответственно; T e - электромагнитный момент; L м и n p - взаимная индуктивность генератора и число пар полюсов, соответственно.

Рисунок 12.

Эквивалентная схема DFIG ((a) ось d; (b) ось q)

2.3.2. Управление преобразователем на стороне ротора

Управление смоделированным DFIG, приведенное выше, применяется к преобразователю с обратной связью и поэтому также подразделяется на управление на стороне ротора и управление на стороне статора.

Сначала изучается преобразователь со стороны ротора. Для оси d , связь потока ротора Ψ qr в уравнении (7a) заменяется уравнением (9b), в результате чего:

Vdr = RrIdr-sωs (LrIqr + LmIqs) + d (LrIdr + LmIds ) dtE13

Заменив уравнение (8a) на I ds на 000 ds , уравнение (13) можно выразить как: LmIdr) dtE14

Поскольку напряжение статора напрямую связано с сетью, оно имеет постоянную величину и частоту напряжения сети.Можно привести ось d в соответствие с вектором напряжения статора, и это правда, что В с = В дс и В кс = 0, таким образом Ψ с = Ψ qs и Ψ ds = 0, которые являются схемой векторного управления, ориентированной на напряжение статора, как показано на рисунке 13. Следовательно, уравнение (14) может быть организовано как:

Vdr = [Rr + ( Lr-Lm2Ls) ddt] Idr-sωs [LrIqr + LmIqs] E15

Уравнение (15) подразумевает, что напряжение ротора оси d состоит из двух компонентов напряжения В др. 1 и V 2 :

Vdr1 = [Rr + (Lr-Lm2Ls) ddt] Idr aVdr2 = −sωs [LrIqr + LmIqs] bE16
Рисунок 13.

Статор опорное напряжение ВОК рамы

V др 1 называется регулирование тока части и изображен на фиг.14, где σ = л г - л м 2 / L s . Из-за линейной зависимости между В dr 1 и I dr используется ПИ-регулятор. Кроме того, V dr 2 является частью поперечной муфты и требует компенсации прямой связи для полного контроля.В конечном итоге напряжение преобразователя на стороне ротора в оси d получается следующим образом:

Vdrc = Vdr = Vdr1 + Vdr2E17

, где индекс rc обозначает преобразователь на стороне ротора. После преобразования dq - abc может быть получено напряжение преобразователя на стороне ротора В abc_rc , которое используется для генерации сигналов управления ШИМ для преобразователя на стороне ротора.

Рисунок 14.

Часть регулирования тока напряжения преобразователя на стороне ротора d

Если рассматривается только стационарное состояние, производными частями в уравнении (10) пренебрегают, и можно получить поток статора в виде:

Ψds = Vqs - RsIqsωs aΨqs = (Vds - RsIds) / (- ωs) bΨs = Ψds2 + Ψqs2 cE18

Согласно уравнениям (8), (10) и (12) опорный ток преобразователя на стороне ротора получается как:

Idr_ref = -2LsTe3npLmΨsE19

, где

Pe_ref = Popt- Ploss = Teωr aPloss = RsIs2 + RrIr2 + RcIsc2 + Fωr2 BE20

, где я подкожно , R с и F являются статор на стороне преобразователя тока, дроссель сопротивления и коэффициент трения соответственно. P opt , P e_ref и P с потерями - желаемая оптимальная выходная активная мощность, эталонная активная мощность и потеря мощности системы соответственно. Объединяя уравнения (8), (10) и (11), активная мощность используется в качестве входных команд для определения опорных токов I dr_ref .

Аналогично, напряжение преобразователя q со стороны ротора также состоит из частей регулирования тока и перекрестной связи:

Vqr1 = [Rr + (Lr-Lm2Ls) ddt] Iqr aVqr2 = sωs [LrIdr + LmIds + LmLsdEsv] b = Vqr = Vqr1 + Vqr2E22

, где производная потока статора в уравнении (21b) рассматривается как ноль в стационарном состоянии.Кроме того, часть регулирования тока показана на рисунке 15. Если реактивная мощность преобразователя на стороне статора регулируется на ноль, то выходная реактивная мощность - это реактивная выходная мощность статора. Тогда каждый имеет:

Qo = Qs + Qsc = Qs = = -VdsIqs = -Vds1Ls (Ψs− LmIqr) E23

Таким образом, регулирование реактивной мощности может привести к I qr_ref .

Рисунок 15.

Часть регулирования тока напряжения преобразователя на стороне ротора q

Включая отклонения напряжения ротора и опорных токов в осях d - и q , на рисунке 16 представлена ​​общая схема управления для преобразователя со стороны ротора, где P opt получено из MPPT.

Рисунок 16.

Общая схема управления преобразователем на стороне ротора

2.3.3. Управление преобразователем на стороне статора

Управление преобразователем на стороне статора регулируется на основе соотношения между напряжением, потоком и током статора и дросселя, который моделируется моделью перекрестной связи, как описано на рисунке 17. Видно, что напряжение сетки (статора) равно сумме напряжения преобразователя на стороне статора и напряжения, занятого дросселем. По KVL:

Vds = RcIdsc − ωsΨqsc + LcdIdscdt + Vdsc aVqs = RcIqsc + ωsΨdsc + LcdIqscdt + Vqsc bE24

Последовательность потока:

Ψdsc = LcIdsc organ5000 Оси и q , соответственно, представлены в виде:

Vdsc = Vds-RcIdsc + ωsLcIqsc-LcdIdscdt aVqsc = Vqs-RcIqsc-ωsLcIdsc-LcdIqscdt bE26

, которые являются переменными и выражают переменную S-образного выражения в bE26

, где находятся переменные-компоненты bE26

, в которых даны переменные и сценарий bE26

, в которых записаны переменные-преобразователи и где-то в другом месте преобразователь bE26

, где находятся подкатегории, преобразующие S-образную переменную второго порядка, в которой находятся переменные-преобразователи bE26

и другие переменные, представляющие блок-константную переменную bE26

, в которой записываются переменные-преобразователи, которые являются подкатегорией для bE26

-переменных, которые являются псевдонимами для b-26

-sc-n-кодировщика, которые выражают в S-образном коде переменную-выражение bE26 9000. и подавиться соответственно. L c и R c - индуктивность и сопротивление дросселя.

Рисунок 17.

Эквивалентная схема дросселя преобразователя на стороне статора [23] описаны как (27а, б) и рис. 18 (а, б).

Vdch2 = (Rc + Lcddt) Idsc aVqch2 = (Rc + Lcddt) Iqsc bE27
Рисунок 18.

Часть регулирования тока напряжения дросселя ((a) ось d; (b) ось q)

Перекрестная соединительная часть напряжения дросселя В dch3 и В qch3 выражается как (28a, b), а полное напряжение преобразователя на стороне статора определяется как (29a, b).

Vdch3 = −ωsLcIqsc aVqch3 = ωsLcIdsc bE28Vdsc = Vds− Vdch2− Vdch3 aVqsc = Vqs− Vqch2− Vqch3 bE29

Токовый эталон I нулевой реактивной мощности 9000 для нулевой реактивной мощности нулевой реактивной мощности 9000 для нулевой реактивной мощности на выходе обычно задает нулевую реактивную переменную для нулевого реактора I dsc_ref определяется регулированием напряжения постоянного тока В dc . Управление напряжением преобразователя на стороне статора изображено на рисунке 19.

Рисунок 19.

Общая схема управления преобразователем на стороне статора [23]

При управлении преобразователем на стороне ротора и статора результаты моделирования [23] приведены в На рисунке 20 представлена ​​стабильная и управляемая динамическая реакция на порывистую скорость ветра.Кроме того, возможность FRT подтверждается падением напряжения в пределах постоянной скорости ветра. На рисунке 21 показаны двойные колебания в два динамических момента, и система управления эффективно восстанавливает регулируемые системой выходы за короткое время.

Рисунок 20.

Отклики порывистого ветра ((a) напряжение звена постоянного тока Vdc; (b) частота вращения генератора ωr; (c) активная мощность P; (d) реактивная мощность Q; (e) скорость ветра Vw)

Рис. 21.

Динамические реакции на падение напряжения в сети ((a) напряжение в звене постоянного тока Vdc; (b) частота вращения генератора ωr; (c) активная мощность P; (d) реактивная мощность Q; (e) напряжение сети Vgrid)

2.3.4. Пространственно-векторная модуляция (SVM)

Целью управления преобразователя на стороне ротора и статора является получение опорных напряжений, которые, как ожидается, будут генерироваться преобразователем. Следующим шагом, очевидно, является генерация соответствующих сигналов затвора ШИМ для преобразователя. Для двухуровневого трехфазного инвертора источника напряжения в инверторе имеется шесть переключателей из трех ветвей, которые контролируют фазное напряжение и, следовательно, ток индукционного генератора. Определяя состояния «ВКЛ» и «ВЫКЛ» верхнего переключателя с помощью «1» и «0», соответственно, для одной ветви, существует до восьми различных состояний для выходов инвертора.Они суммированы в Таблице 2, а также приведены значения фазного напряжения в abc и αβ кадров. Восемь выходных напряжений инвертора можно рассматривать как восемь векторов напряжения [0, 0, 0] - [1, 1, 1], которые показаны на рисунке 22.

Рисунок 22.

Восемь пространственных векторов напряжения инвертора

L1 L2 L3 Ван VBN ОХН
1 1 1 0 0 0 0 0
1 0 0 2 В

000000 DC /3

- В DC /3 √ (2/3) В DC 0
1 1 1 1 1 1 1 1 4 0 В постоянного тока /3 В постоянного тока /3 -2 В постоянного тока /3 √ (1/6) В dc dc √ (1/2) V dc
0 1 0 - V dc /3 2 V dc /3 905 9505/3 dc /3 -√ (1/6) V dc √ (1/2) V dc
0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 В постоянного тока /3 В постоянного тока /3 В постоянного тока /3 -√ (2/3) В 9057 9057 9574 0542 9057 9574 0542 9057 9571 0542 9057 9574 0542 9057 9571 0542 9057 9571 0542 9057 9571 0542 9057 9571 0542 9057 9574 0542 9057 9571 0542 9057 9574 0542 9057 9571 0542 9057 9574 0542 9057 9574 0542 9057 9574 0542 9057 9571 0542 9057 0 0 1 - В DC /3 - В DC /3 9 0542 2 В постоянного тока /3 -√ (1/6) В постоянного тока -√ (1/2) В постоянного тока
1 1 V dc /3 -2 V dc /3 V dc /3 √ (1/6) V -√ (1/2) V dc
0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 2.

Пространство векторных состояний (L 1 -L 3 представляют собой инвертор LEG1-leg3)

После опорного напряжения пространственного вектора в αβ раме достигается за счет регулирования тока, величины и угла напряжения используются для внедрить SVM. При постоянной частоте ШИМ пространственный вектор всегда реализуется векторной суммой двух смежных векторов в Таблице 2. Если в качестве примера взять напряжение пространственного вектора (сечение от 0 до 60 градусов) на рисунке 23, оно равно векторной сумме V 1 и V 2 с величинами d x и d y , соответственно, которые являются рабочими циклами двух векторов [32]:

dx = | Vsp | 23Vdcsin (60 ° −γ) sin60 ° ady = | Vsp | 23Vdcsinγsin60 ° bdz = 1 − dx − dy cE30

, где d z обозначает рабочий цикл нулевого вектора.Обычно нулевые векторы [0, 0, 0] или [1, 1, 1] дают оставшийся период ШИМ после d x и d y . Напряжения пространственного вектора, расположенные в других секциях, могут следовать той же процедуре, чтобы получить рабочие циклы d x , d y и d z . Затем для определения последовательности векторов применяется метод ШИМ с минимальными потерями в пространстве (MLSVPWM) [32]. Сигналы ШИМ в конечном итоге получаются на основе вычисленных рабочих циклов и последовательности векторов.На рисунках 24 и 25 показаны симуляционные и экспериментальные трехфазные коэффициенты заполнения для фаз А, В и С инвертора, при которых переключение не происходит, если используется 0 или 1 коэффициент заполнения. Видно, что в любой момент времени при переключении отсутствует одна фаза, что сводит к минимуму потери переключения полупроводниковых переключателей. Кроме того, экспериментальные результаты показывают синусоидальный характер коэффициента заполнения линейного напряжения, который ожидается для синусоидального основного выходного напряжения линии инвертора. С этой технологией PWM SVM преобразователи на стороне ротора и статора управляются ранее полученным FOC.

Рисунок 23.

Рабочие циклы векторов для справки

.

Электродвигатели и генераторы

Электродвигатели, генераторы, генераторы переменного тока и динамики объясняются с использованием анимации и схем.
Это страница ресурса от Physclips, многоуровневого мультимедийного введения в физику (загрузите анимацию на этой странице).

Двигатели постоянного тока

Простой двигатель постоянного тока имеет катушку провода, которая может вращаться в магнитном поле. ток в катушке подается через две щетки, которые соприкасаются с разрезное кольцо.Катушка лежит в устойчивом магнитном поле. Приложенные силы на токоведущих проводах создают крутящий момент на катушке. Сила F на проволоке длиной L, несущей ток i в магнитном поле B - это iLB, умноженное на синус угла между B и i, который был бы равен 90 °, если поля были равномерно вертикальными. Направление F исходит справа Правило руки *, как показано здесь. Две силы, показанные здесь, равны и противоположны, но они смещены вертикально, поэтому они оказывают крутящий момент.(Силы на две другие стороны катушки действуют вдоль одной и той же линии и, следовательно, не имеют крутящего момента.)
    * Для запоминания направления силы используется ряд различных nmemonics. Некоторые используют правую руку, некоторые левую. Для студентов, знающих векторное умножение, легко использовать силу Лоренца: F = q v X B , откуда F = i дл X B .Это происхождение диаграммы, показанной здесь.
Катушка также может рассматриваться как магнитный диполь или маленький электромагнит, как указано стрелкой SN: скрутите пальцы правой руки в Направление тока, а большой палец - это северный полюс. В эскизе справа изображен электромагнит, образованный катушкой ротора как постоянный магнит, и тот же крутящий момент (север притягивает юг) быть действующим, чтобы выровнять центральный магнит.
    Мы используем синий для северного полюса и красный для южного. Это просто соглашение, чтобы сделать ориентацию ясной: нет никакой разницы в материале на обоих концах магнита, и они обычно не окрашены в другой цвет.

Обратите внимание на влияние щеток на разрезное кольцо . Когда плоскость вращающейся катушки достигает горизонтали, щетки разорвут контакт (не так много потеряно, потому что это точка нулевого момента в любом случае - силы действовать внутрь).Момент импульса катушки переносит его за этот разрыв точка и ток затем течет в противоположном направлении, которое меняет направление магнитный диполь. Итак, после прохождения точки останова, ротор продолжает повернуть против часовой стрелки и начинает выравниваться в противоположном направлении. в следующий текст, я буду в основном использовать изображение «крутящий момент на магните», но знать, что использование щеток или переменного тока может привести к электромагнит, о котором идет речь, для изменения положения, когда ток меняет направление.

Крутящий момент, создаваемый в течение цикла, зависит от вертикального разделения две силы. Поэтому он зависит от синуса угла между ось катушки и поля. Тем не менее, из-за разрезного кольца, это всегда в том же смысле. Анимация ниже показывает его изменение во времени, и вы можете остановить его на любом этапе и проверить направление, применяя правую руку править.

Моторы и генераторы

Теперь двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока.Посмотрите на следующую анимацию. катушка, разрезное кольцо, щетки и магнит - это то же оборудование, что и мотор выше, но катушка поворачивается, что генерирует ЭДС.

Если вы используете механическую энергию, чтобы вращать катушку (N витков, область A) равномерно угловая скорость ω в магнитном поле B , это произведет синусоидальную ЭДС в катушке. ЭДС (ЭДС или электродвижущая сила - почти то же самое, что и напряжение). Пусть θ будет угол между B и нормалью к катушке, поэтому магнитный поток φ равен NAB.сов θ. Закон Фарадея дает:

Анимация выше будет называться генератором постоянного тока. Как в двигателе постоянного тока, концы катушки соединяются с разрезным кольцом, две половины которого контактируют кистями. Обратите внимание, что кисти и разрезное кольцо «исправляют» произведенную ЭДС: контакты организованы так, что ток всегда будет течь в одном и том же направление, потому что, когда катушка поворачивает мимо мертвой точки, где щетки встретить зазор в кольце, соединения между концами катушки и внешние клеммы меняются местами.ЭДС здесь (пренебрегая мертвой точкой, которая обычно происходит при нулевом напряжении) | NBAω грех ωt |, как набросал.

Генератор

Если мы хотим AC, нам не нужно исправление, поэтому нам не нужны разделительные кольца. (Это Это хорошая новость, потому что разрезные кольца вызывают искры, озон, радиопомехи и дополнительный износ. Если вы хотите DC, часто лучше использовать генератор переменного тока и выпрямлять с диодами.)

В следующей анимации две кисти касаются двух непрерывных колец, так что две внешние клеммы всегда подключены к одним и тем же концам катушки.В результате получается неопознанная синусоидальная ЭДС, заданная NBAω sin ωt, что показано в следующей анимации.


Это генератор переменного тока. Преимущества переменного и постоянного тока генераторы сравниваются в разделе ниже. Мы видели выше, что двигатель постоянного тока также генератор постоянного тока. Аналогично, генератор переменного тока также является двигателем переменного тока. Тем не мение, это довольно негибкий. (Смотри как настоящие электромоторы работают более подробно.)

Обратный ЭДС

Теперь, как показывают первые две анимации, двигатели и генераторы постоянного тока могут быть то же самое.Например, моторы поездов становятся генераторами, когда поезд замедляется: они преобразуют кинетическую энергию в электрическую и власть обратно в сетку. Недавно несколько производителей начали производить автомобили рационально. В таких автомобилях также используются электродвигатели для управления автомобилем. используется для зарядки аккумуляторов, когда автомобиль остановлен - это называется регенеративным торможения.

Итак, вот интересное следствие. Каждый двигатель - это генератор . Это правда, в некотором смысле, даже когда он функционирует как мотор.ЭДС это мотор генерирует называется обратно ЭДС . ПротивоЭДС увеличивается с скорость, из-за закона Фарадея. Итак, если двигатель не имеет нагрузки, он очень быстро и ускоряется до обратной эдс, плюс падение напряжения из-за потерь, равное напряжение питания. Обратный ЭДС можно рассматривать как «регулятор»: он останавливает двигатель бесконечно быстро (тем самым, избавляя физиков от смущения). Когда двигатель загружен, то фаза напряжения становится ближе к фазе тока (начинает выглядеть резистивным), и это кажущееся сопротивление дает напряжение.Итак, спина ЭДС требуется меньше, и двигатель вращается медленнее. (Добавить обратно ЭДС, которая является индуктивной, к резистивному компоненту, вам нужно добавить напряжения которые не в фазе. См AC схемы.)

Катушки обычно имеют сердечники

На практике (и в отличие от нарисованных нами диаграмм) генераторы и постоянный ток двигатели часто имеют сердечник с высокой проницаемостью внутри катушки, так что большие магнитные поля создаются скромными токами. Это показано слева в рисунок ниже, в котором статоров (магниты, которые являются статическими) являются постоянными магнитами.

«Универсальные» моторы

Магниты статора тоже могут быть выполнены в виде электромагнитов, как показано выше справа Два статора намотаны в одном направлении, чтобы дать поле в том же направлении, и ротор имеет поле, которое дважды меняет за цикл, потому что он связан с кистями, которые здесь опущены. Один Преимущество наличия статоров в двигателе состоит в том, что можно создать двигатель который работает от переменного или постоянного тока, так называемый универсальный двигатель .Когда вы едете такой двигатель с переменным током, ток в катушке меняется дважды в каждом цикле (помимо изменений от кистей), но полярность статоров изменения в то же время, поэтому эти изменения отменяются. (К сожалению, однако, есть еще кисти, хотя я спрятал их в этом наброске.) Для преимуществ и Недостатки статора с постоянным магнитом по сравнению со статорами с обмоткой см. ниже. Также увидеть больше на универсальных моторах.

Построить простой мотор

Чтобы построить этот простой, но странный мотор, вам понадобятся два довольно сильных магнита. (редкоземельные магниты диаметром около 10 мм будут в порядке, как и более крупный стержень магниты), немного жесткой медной проволоки (не менее 50 см), два провода с крокодилом зажимы на каждом конце, батарея фонаря на шесть вольт, две банки безалкогольного напитка, два блока дерева, немного липкой ленты и острый гвоздь.

Сделайте катушку из жесткого медного провода, чтобы он не нуждался в внешнем служба поддержки. Заверните от 5 до 20 витков в круг диаметром около 20 мм и два конца направлены радиально наружу в противоположных направлениях. Эти концы будут быть осью и контактами. Если провод имеет лаковую или пластиковую изоляцию, раздеть его на концах.

Опоры для оси могут быть изготовлены из алюминия, поэтому что они делают электрический контакт. Например, тыкать в безалкогольный напиток банки с гвоздем, как показано на рисунке.Расположите два магнита с севера на юг, так что магнитное поле проходит через катушку под прямым углом к оси. Лента или клей магниты на деревянные блоки (не показаны) в диаграмме), чтобы держать их на нужной высоте, затем переместите блоки поставить их на место, достаточно близко к катушке. Поверните катушку изначально так что магнитный поток через катушку равен нулю, как показано на схеме.

Теперь достаньте аккумулятор и два провода с зажимами крокодил.Connect две клеммы аккумулятора к двум металлическим опорам для катушка и она должна повернуться.

Обратите внимание, что у этого двигателя есть хотя бы одна «мертвая точка»: он часто останавливается в положении, когда на катушке нет крутящего момента. Не уходи слишком долго: аккумулятор быстро разряжается.

Оптимальное количество витков в катушке зависит от внутреннего сопротивление батареи, качество поддержки контактов и тип провода, поэтому вы должны экспериментировать с различными значениями.

Как уже упоминалось выше, это тоже генератор, но это очень неэффективный. Чтобы сделать большую ЭДС, используйте больше ходов (вам может понадобиться использовать более тонкий провод и рамку, на которую его намотать.) Вы можете использовать например, электрическая дрель для быстрого вращения, как показано на рисунке выше. Используйте осциллограф, чтобы посмотреть на генерируемую ЭДС. Это AC или DC?

Этот двигатель не имеет разрезного кольца, так почему же это работает на DC? Проще говоря, если бы это было точно симметрично, это не сработало бы.Однако если ток в одном полупериоде несколько меньше, чем в другом, то средний крутящий момент не будет равен нулю, и, поскольку он вращается достаточно быстро, угловой момент, полученный во время полупериода с большим током, переносит его через полупериод, когда крутящий момент в противоположном направлении. Как минимум два эффекта могут вызвать асимметрию. Даже если провода полностью зачищены, а провода чистые, сопротивление контакта вряд ли будет одинаковым даже в состоянии покоя. Кроме того, само вращение вызывает прерывистость контакта, поэтому, если в течение одной фазы имеются более длинные отскоки, этой асимметрии достаточно.В принципе, вы могли бы частично зачистить провода таким образом, чтобы ток был равен нулю в одной половине цикла.

Альтернативная версия простого двигателя, Джеймсом Тейлор.
Еще более простой двигатель (который также гораздо проще понять!) - это гомополярный двигатель.

Двигатели переменного тока

С помощью переменного тока мы можем менять направление поля без использования щеток.Это хорошие новости, потому что мы можем избежать искрения, производства озона и омическая потеря энергии, которую могут повлечь за собой щетки. Далее, потому что щетки контакт между движущимися поверхностями, они изнашиваются.

Первое, что нужно сделать в двигателе переменного тока, - это создать вращающееся поле. «Обычный» Переменный ток от 2-х или 3-х контактного разъема является однофазным, он имеет один синусоидальный Разность потенциалов генерируется только между двумя проводами - активным и нейтральным. (Обратите внимание, что заземляющий провод не проводит ток, кроме как в случае электрические неисправности.) С однофазным переменным током можно создать вращающееся поле генерируя два тока, которые не совпадают по фазе, используя, например, конденсатор. В показанном примере два тока сдвинуты по фазе на 90 °, поэтому вертикальное компонент магнитного поля является синусоидальным, а горизонтальный - косусоидальным, как показано. Это дает поле, вращающееся против часовой стрелки.

(* меня попросили объяснить это: от простого кондиционера Теория, ни катушки, ни конденсаторы не имеют напряжения в фазе с электрический ток.В конденсаторе напряжение является максимальным, когда заряд закончил течь на конденсатор, и собирается начать течь. Таким образом, напряжение отстает от тока. В чисто индуктивной катушке падение напряжения является наибольшим, когда ток меняется наиболее быстро, что также когда ток равен нулю. Напряжение (падение) опережает ток. В моторных катушках фазовый угол меньше 90, потому что электрический энергия преобразуется в механическую энергию.)

В этой анимации графики показывают изменение во времени течений в вертикальных и горизонтальных катушках. Участок поля компонентов B x а B y показывает, что векторная сумма этих двух полей является вращающейся поле. Основное изображение показывает вращающееся поле. Это также показывает полярность магнитов: как указано выше, синий представляет северный полюс, а красный - южный полюс.

Если мы поместим постоянный магнит в эту область вращающегося поля, или если мы положим в катушке, ток которой всегда идет в одном направлении, то это становится синхронный двигатель .При широком диапазоне условий двигатель будет повернуть со скоростью магнитного поля. Если у нас много статоров, вместо только из двух пар, показанных здесь, то мы могли бы рассматривать его как шаговый двигатель: каждый импульс перемещает ротор на следующую пару задействованных полюсов. Пожалуйста, помните мое предупреждение об идеализированной геометрии: настоящие шаговые двигатели есть десятки полюсов и довольно сложной геометрии!

Асинхронные двигатели

Теперь, поскольку у нас есть изменяющееся во времени магнитное поле, мы можем использовать индуцированную ЭДС в катушке - или даже только вихревые токи в проводнике - чтобы сделать ротор магнит.Это верно, когда у вас есть вращающееся магнитное поле, вы можете просто вставьте проводник, и он получится. Это дает несколько из преимуществ асинхронные двигатели : нет щеток или коммутатора, что упрощает производство, нет износ, отсутствие искр, образование озона и отсутствие потерь энергии с ними. Внизу слева приведена схема асинхронного двигателя. (Для фотографий реальные асинхронные двигатели и более подробную информацию, см. Индукционные двигатели).

Анимация справа представляет собой двигатель с короткозамкнутым ротором .Белка клетка имеет (в этой упрощенной геометрии, во всяком случае!) два круглых проводника, соединенных на несколько прямых баров. Любые два стержня и дуги, которые соединяют их, образуют катушка - как показано синей чертой в анимации. (Только два из для простоты было показано много возможных схем.)

Эта схема показывает, почему их можно назвать двигателями с короткозамкнутым ротором. Реальность другая: фотографии и подробности см. В разделе «Индукция». моторы. Проблема с асинхронными и короткозамкнутыми двигателями показана в этой анимации, что конденсаторы высокого значения и высокого напряжения дорогиеОдним из решений является двигатель с «затененным полюсом», но его вращающийся поле имеет некоторые направления, где крутящий момент мал, и он имеет тенденцию бежать назад при некоторых условиях. Самый лучший способ избежать этого использовать многофазные двигатели.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Единственная фаза используется в домашних условиях для приложений с низким энергопотреблением, но у него есть некоторые недостатки. Во-первых, он выключается 100 раз в секунду (вы не обратите внимание, что флуоресцентные лампы мерцают на этой скорости, потому что ваши глаза слишком медленные: даже 25 кадров в секунду на телевизоре достаточно быстры, чтобы иллюзия непрерывного движения.) Во-вторых, это делает его неловким производить вращающиеся магнитные поля. По этой причине некоторая высокая мощность (несколько кВт) бытовые устройства могут потребовать трехфазной установки. Промышленные применения широко использовать три фазы, а трехфазный асинхронный двигатель является стандартным рабочая лошадка для мощных применений. Три провода (не считая земли) несут три возможных разности потенциалов, которые не в фазе с каждым другой на 120 °, как показано на анимации ниже. Таким образом три статора дают плавно вращающееся поле.(Посмотри это ссылка для получения дополнительной информации о трехфазном питании.)

Если в такой набор статоров поместить постоянный магнит, он становится синхронным трехфазный двигатель . Анимация показывает клетку белка, в которой для простота показана только одна из множества индуктированных токовых петель. С нет механическая нагрузка, она вращается практически в фазе с вращающимся полем. Ротор не должен быть короткозамкнутым: фактически любой проводник, который будет несущие вихревые токи будут вращаться, стремясь следовать вращающемуся полю.Такое расположение может дать асинхронный двигатель , способный к высокой эффективности, высокая мощность и высокий крутящий момент в диапазоне скоростей вращения.

Линейные моторы

Набор катушек может быть использован для создания магнитного поля, которое переводит, скорее чем вращается. Пара катушек в анимации ниже пульсирует от слева направо, поэтому область магнитного поля перемещается слева направо. постоянный или электромагнит будет стремиться следовать за полем. Так бы простой плита из проводящего материала, потому что вихревые токи, индуцированные в нем (не показаны) содержат электромагнит.В качестве альтернативы, мы могли бы сказать, что из Фарадея закон, ЭДС в металлической плите всегда вызывается, чтобы противостоять любым изменениям в магнитном потоке, и силы на токах, вызванных этой эдс, сохраняют поток в плите почти постоянный. (Вихревые токи не показаны в этой анимации.)

В качестве альтернативы, мы могли бы иметь наборы катушек с питанием в движущейся части, и вызвать вихревые токи в рельсе. В любом случае мы получаем линейный двигатель, который был бы полезен, скажем, в поездах Маглев.(В анимации геометрия как обычно на этом сайте, высоко идеализирован, и только один вихревой ток показано.)

Некоторые заметки о двигателях переменного и постоянного тока для мощных применений

    Этот сайт был изначально написан, чтобы помочь старшеклассникам и учителя в Новом Южном Уэльсе, Австралия, где концентрируется новый учебный план на истории и приложениях физики, за счет самой физики, был введен. Новый учебный план, в одной из точек, имеет этот загадочное требование: «объясните, что двигатели переменного тока обычно вырабатывают малую мощность и связать это с их использованием в электроинструментах ".
Двигатели переменного тока используются для мощных применений, когда это возможно. Три асинхронные электродвигатели переменного тока широко используются для мощных применений, в том числе тяжелая индустрия. Тем не менее, такие двигатели не подходят, если многофазный недоступен, или трудно доставить. Электропоезда являются примером: легче строить линии электропередач и пантографы, если нужен только один активный проводник, так что это обычно несет DC, и много двигателей поезда - DC. Однако из-за недостатков постоянного тока для высокой мощности, более современные поезда преобразуют постоянный ток в переменный ток, а затем работают трехфазные двигатели.

Однофазные асинхронные двигатели имеют проблемы для комбинирования приложений высокая мощность и гибкие условия нагрузки. Проблема заключается в создании вращающееся поле. Конденсатор может быть использован для помещения тока в один набор Катушки впереди, но конденсаторы высокого напряжения высокого напряжения стоят дорого. Затенение вместо этого используются полюса, но крутящий момент мал под некоторыми углами. Если не можешь создать плавно вращающееся поле, и если нагрузка «скользит» далеко позади поле, то крутящий момент падает или даже меняет направление.

В электроинструментах и ​​некоторых приборах используются щеточные двигатели переменного тока. Щетки вводят потери (плюс искрение и производство озона). Полярности статора меняются местами 100 раз в секунду. Даже если материал сердечника выбран для минимизации гистерезиса потери («потери в железе»), это способствует неэффективности и возможности от перегрева. Эти моторы можно назвать «универсальными» двигатели, потому что они могут работать на постоянном токе. Это решение дешево, но сыро и неэффективно. Для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как электроинструменты, неэффективность обычно не является экономически важной.

Если доступен только однофазный переменный ток, можно выпрямить переменный ток и использовать Двигатель постоянного тока. Сильноточные выпрямители раньше были дорогими, но становятся менее дорогой и более широко используемый. Если вы уверены, что понимаете принципы, пришло время перейти к Как настоящие электромоторы работы Джона Стори. Или продолжайте здесь, чтобы найти о громкоговорителях и трансформаторах.


Громкоговорители

Громкоговоритель - это линейный двигатель с небольшим диапазоном.Имеет один движущийся катушка, которая постоянно, но гибко подключена к источнику напряжения, так что есть нет кистей.
Катушка движется в поле постоянного магнита, который обычно имеет форму создать максимальную силу на катушке. Движущаяся катушка не имеет сердечника, поэтому его масса мала, и он может быть ускорен быстро, что позволяет частота движения. В громкоговорителе катушка прикреплена к легкому весу бумажный конус, который поддерживается на внутреннем и внешнем краях круглым, плиссированные бумажные «пружины».На фотографии ниже, динамик находится за нормальный верхний предел его перемещения, поэтому катушка видна над магнитные столбы.

Для низкочастотного звука с большой длиной волны нужны большие конусы. Динамик, показанный ниже, имеет диаметр 380 мм. Колонки предназначены для низкие частоты называются сабвуферами. Они имеют большую массу и являются поэтому трудно разогнаться быстро для высокочастотных звуков. На фотографии ниже раздел был вырезан, чтобы показать внутренние компоненты.

Твитеры - динамики, предназначенные для высоких частот - могут быть просто колонки аналогичного дизайна, но с небольшими, малыми по массе диффузорами и катушками. В качестве альтернативы они могут использовать пьезоэлектрические кристаллы для перемещения конуса.

Динамики считаются линейными двигателями со скромным диапазоном - возможно, десятки мм. Подобные линейные двигатели, хотя, конечно, без бумажного конуса, часто бывают используется для радиального перемещения головки чтения и записи на дисководе.
Громкоговорители как микрофоны
На рисунке выше вы можете видеть, что картонная диафрагма (диффузор громкоговорителя) соединена с катушкой провода в магнитном поле. Если звуковая волна перемещает диафрагму, катушка будет двигаться в поле, генерируя напряжение. Это принцип динамического микрофона - хотя в большинстве микрофонов диафрагма немного меньше, чем диффузор громкоговорителя. Итак, динамик должен работать как микрофон. Это хороший проект: все, что вам нужно - это динамик и два провода для подключения его к входу осциллографа или микрофонному входу вашего компьютера.Два вопроса: как вы думаете, что масса конуса и катушки будет делать с частотной характеристикой? Как насчет длины волны используемых вами звуков?

Предупреждение: настоящие двигатели сложнее

Эскизы двигателей были схемами, чтобы показать принципы. Пожалуйста, не сердитесь, если, когда вы раздвигаете мотор, он выглядит более сложно! (Смотри как настоящие электродвигатели работают.) Например, типичный двигатель постоянного тока Скорее всего, у вас будет много отдельно намотанных катушек, чтобы получить более плавный крутящий момент: всегда есть одна катушка, для которой синусоидальный термин близок к единице.Это показано ниже для двигателя со статорами намотки (выше) и постоянные статоры (ниже).

Трансформаторы

На фотографии показан трансформатор, предназначенный для демонстрационных целей: первичная и вторичная катушки четко разделены и могут быть удалены и заменили, подняв верхнюю часть сердечника. Для наших целей, обратите внимание что катушка слева имеет меньше катушек, чем справа (вставки показать крупные планы).

На схеме и схеме показан повышающий трансформатор. Чтобы сделать понижающий трансформатор, нужно только поместить источник справа и нагрузку слева. ( Важно Указание по безопасности : для настоящего трансформатора вы можете «только вставить его назад» только после проверки, что номинальное напряжение было соответствующим.) Итак, как же трансформатор работает?

Сердцевина (затененная) обладает высокой магнитной проницаемостью, т.е. материалом, который образует магнитное поле намного легче, чем свободное пространство, благодаря ориентации атомных диполей.(На фотографии ядро ​​из ламинированного мягкого железа.) В результате поле сосредоточено внутри ядра, и почти никакие полевые линии не покидают ядро. Если следует, что магнитные потоки φ через первичный и вторичный примерно равны, как показано. Из Фарадея закон, ЭДС в каждом витке, будь то в первичной или вторичной катушке, составляет -dφ / dt. Если пренебречь сопротивлением и другими потерями в трансформаторе, терминал напряжение равно ЭДС. Для N р оборотов первичного дает

Для N с витков вторичной обмотки это дает Разделив эти уравнения, получим преобразователь , уравнение . где r - коэффициент поворотов.А как насчет тока? Если мы пренебрегаем потерями в трансформатор (см. раздел ниже по эффективности), и если мы предположим, что напряжение и ток имеют одинаковые фазовые отношения в первичной и вторичный, то из сохранения энергии мы можем написать в устойчивом состоянии:
    Power In = Power Out, так

    V p I p = V с I с , откуда

    I с / I р = N р / N с = 1 / р.

Так что вы ничего не получите даром: если вы увеличиваете напряжение, вы уменьшаете ток по (как минимум) тем же фактором. Обратите внимание, что на фотографии Катушка с большим количеством витков имеет более тонкий провод, потому что она предназначена для того, чтобы нести меньше ток чем то с меньшим количеством витков.

В некоторых случаях уменьшение тока является целью упражнения. В силе линии электропередачи, например, потери мощности при нагреве проводов из-за их ненулевое сопротивление пропорционально квадрату тока.Таким образом, это экономит много энергии для передачи электроэнергии от электростанции в город при очень высоких напряжениях, так что токи только скромные.

Наконец, и снова, предполагая, что трансформатор идеален, давайте спросим, ​​что резистор во вторичной цепи «похож» на первичную цепь. В первичной цепи:

    V p = V s / r и I p = У меня с .р так

    V p / I p = V с / r 2 I с = Р / р 2 .

Р / р 2 называется отраженным сопротивлением . При условии, что частота не слишком высокая, и при условии, что есть сопротивление нагрузки (условия обычно встречаются в практических трансформаторах), индуктивное сопротивление первичной намного меньше, чем это отраженное сопротивление, поэтому первичная цепь ведет себя как если бы источник управлял резистором со значением R / r 2 .
КПД трансформаторов
На практике реальные трансформаторы менее чем на 100% эффективны.
  • Во-первых, в катушках возникают омические потери (потеря мощности I 2 .r). Для данного материала сопротивление катушек можно уменьшить, сделав их поперечное сечение большое. Удельное сопротивление также можно сделать низким с помощью медь высокой чистоты. (См. Дрифт скорость и закон Ома.)
  • Во-вторых, в сердечнике есть некоторые потери на вихревые токи. Это может быть уменьшается путем ламинирования ядра. Ламинации уменьшают площадь контуров в ядре, и так уменьшить ЭДС Фарадея, и поэтому ток течет в ядре, и поэтому энергия теряется.
  • В-третьих, в сердечнике есть гистерезисные потери. Намагниченность и Кривые размагничивания для магнитных материалов часто немного отличаются (гистерезис или историческая зависимость), и это означает, что энергия требуется намагничивать сердечник (пока ток увеличивается) не совсем восстанавливается во время размагничивания. Разница в энергии теряется как тепло в основном.
  • Наконец, геометрический дизайн, а также материал ядра могут оптимизировать, чтобы гарантировать, что магнитный поток в каждой катушке вторичной обмотки почти такой же, как в каждой катушке первичной.
Подробнее о трансформаторах: генераторы переменного и постоянного тока
Трансформаторы работают только на переменном токе, что является одним из больших преимуществ переменного тока. трансформеры позвольте 240 В понизиться до удобных уровней для цифровой электроники (всего несколько вольт) или для других приложений с низким энергопотреблением (обычно 12 В). трансформеры увеличьте напряжение для передачи, как указано выше, и уменьшите для безопасного распределение. Без трансформаторов, трата электроэнергии в распределении сети, уже высокие, были бы огромными.Есть возможность конвертировать напряжения в постоянном токе, но сложнее, чем в переменном. Кроме того, такие преобразования часто неэффективно и / или дорого. AC имеет еще то преимущество, что его можно использовать на двигателях переменного тока, которые обычно предпочтительнее двигателей постоянного тока для применений с высокой мощностью.

Другие ресурсы от нас

Некоторые внешние ссылки на веб-ресурсы по двигателям и генераторам

  • Гиперфизика: Электродвигатели с сайта HyperPhysics в штате Джорджия. Отлично сайт в целом, а моторная часть идеально подходит для этой цели. Хорошо использование веб-графики. Есть ли DC, AC и асинхронные двигатели и имеет обширный ссылки
  • Громкоговорители .. Больше хороших вещей из штата Джорджия Гиперфизика. Хорошая графика, хорошие объяснения и ссылки. Этот громкоговоритель Сайт также включает в себя приложения.
  • http://members.tripod.com/simplemotor/rsmotor.htm A сайт, описывающий студенческий мотор.Ссылки на другие двигатели, построенные тот же студент и ссылки на сайты о двигателях.
  • http://www.specamotor.com A сайт, который сортирует двигатели от разных производителей в соответствии с техническими характеристиками, введенными пользователем.

В чем разница между постоянными магнитами а наличие электромагнитов в двигателе постоянного тока? Это делает его более эффективным или более могущественный? Или просто дешевле?

Когда я получил этот вопрос на Высшем Школьная доска объявлений по физике, я отправил ее Джону Этаж, а также выдающийся астроном, строитель электромобилей.Вот его ответ:

В общем, для небольшого мотора гораздо дешевле использовать постоянные магниты. Материалы с постоянными магнитами продолжают улучшаться и стали такими недорогими что даже правительство будет присылать вам бессмысленные магниты на холодильник через почту. Постоянные магниты также более эффективны, потому что нет питания тратится впустую, создавая магнитное поле. Так зачем использовать рану Двигатель постоянного тока? Вот несколько причин:

  • Если вы строите действительно большой мотор, вам нужен очень большой магнит и в какой-то момент поле раны может стать дешевле, особенно если очень сильное магнитное поле необходимо для создания большого крутящего момента.Имейте это в виду если вы планируете поезд. По этой причине большинство автомобилей имеют стартеры которые используют поле раны (хотя некоторые современные автомобили в настоящее время используют постоянный магнитные моторы).
  • С постоянным магнитом магнитное поле имеет фиксированное значение (это что означает «постоянный»!) Напомним, что крутящий момент, создаваемый двигателем данная геометрия равна произведению тока через якорь и напряженность магнитного поля. С двигателем намотанного поля у вас есть возможность изменения тока через поле, и, следовательно, изменение характеристики двигателя.Это приводит к ряду интересных возможностей; Вы кладете обмотку в ряд параллельно с якорем, или кормить его из отдельно контролируемого источника? Пока достаточно крутящий момент для преодоления нагрузки на двигатель, внутреннего трения и т. д., чем слабее магнитное поле, тем быстрее вращается мотор напряжение). Поначалу это может показаться странным, но это правда! Итак, если вы хотите двигатель, который может производить большой крутящий момент в состоянии покоя, но вращаться с большой скоростью Скорости, когда нагрузка мала (как этот дизайн поезда?) возможно поле раны - ответ.
  • Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал от переменного и постоянного тока (так называемый «универсальный» двигатель), магнитное поле должно менять свою полярность через каждые пол цикла Мощность переменного тока для того, чтобы крутящий момент на роторе всегда был в одном направлении. Очевидно, что для достижения этой цели вам нужен мотор с полем намотки.

Мнения, выраженные в этих примечаниях, являются моими и не обязательно отражают политика Университета Нового Южного Уэльса или Школы физики. анимации были сделаны Джорджем Hatsidimitris.
Джо Wolfe / [email protected]/ 61-2-9385 4954 (UT + 10, +11 октябрь-март)

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.