Современные представления об электромеханике

Министерство образования Республики Казахстан

Казахский Национальный Университете имени аль-Фараби

Физико-Технический факультет

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Тема: Современные представления об электромеханике

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Рысбекова Ж.Р.

ЭЭ 416 группа

Проверил: Габдуллина А.Т.

 

 

 

 

 

 

 

Алматы, 2015 год

Введение

Электромеханика — раздел электротехники, в котором рассматриваются общие принципы электромеханического преобразования энергии и их практическое применение для проектирования и эксплуатации электрических машин.

Электромеханика как наука рассматривает вопросы создания и совершенствования устройств для взаимного преобразования электрической и механической энергии, электрических, контактных и бесконтактных аппаратов для коммутации электрических цепей и управления потоками энергии.

Электромеханический преобразователь преобразует электрический ток в соответствующее ему механическое линейное или угловое перемещение (например, катушка индуктивности со свободно перемещающимся сердечником). Применяются главным образом в качестве исполнительных механизмов в системах автоматического регулирования (управления).

Электромеханические преобразователи, в настоящее время, это непременная составляющая любого производства. В коммунальном хозяйстве и в быту они тоже применяются очень часто. Например, это вентиляторы, кондиционеры, насосы для отопления и т.д. Поэтому, современным инженерам необходимо хорошо разбираться в типах и устройстве этих агрегатов.

На сегодняшний день, общий вид электротехники представляют электрические машины постоянного и переменного тока, которые я коротко опишу в своем докладе. Их параметры, а также достоинства и недостатки, складывают общую картину развития электромеханики в нынешнее время. 
Электромеханические преобразователи постоянного тока

Электрическая машина прошла длинный и сложный путь от физических игрушек и лабораторных приборов до завершенных промышленных конструкций. Однако вначале развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло совершенно различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины был открыт в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов прошлого века. В связи с этим представляется вполне правомерным рассматривать отдельно историю создания генератора и электродвигателя в период до 1870 г. Поскольку все первые потребители электрической энергии питались исключительно постоянным током и этот род тока был наиболее изучен, то и первые электрические машины были машинами постоянного тока.

Электродвигатели постоянного тока состоят из подвижной части (якоря) и неподвижной части (статора). Они выпускаются с параллельным, последовательным и смешанным соединением обмоток якоря и статора. Достоинством двигателей постоянного тока является способность регулировать частоту вращения, но они требуют значительных усилий при эксплуатации.

Двигатели постоянного тока используются в прецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне. Свойства двигателя постоянного тока, так же, как и генераторов, определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения можно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. Двигатели с электромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением.

Электрические машины постоянного тока обратимы, то есть возможна их работа в качестве двигателей или генераторов.

Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения: малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех.

Электродвигатели постоянного тока используются для привода подъемных средств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств в качестве тяговых двигателей, обладая по сравнению с электродвигателями переменного тока лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

Металлургические и крановые двигатели постоянного тока предназначены для работы в электроприводах подъемно-транспортных механизмов, металлургических агрегатов. Экскаваторные двигатели постоянного тока предназначены для работы на механизмах экскаваторов в продолжительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах.

Этот тип двигателей ранее применялся очень широко, но в настоящее время он почти полностью вытеснен асинхронными электродвигателями, по причине сравнительной дешевизны применения последних.

 

Синхронные двигатели

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является такое исполнение, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор.

Синхронные электродвигатели часто применяются для различных видов привода, работающего с постоянно скоростью, т.е. для вентиляторов, компрессоров, насосов, генераторов постоянного тока и т.д. Это двигатели мощностью 20 – 10000 кВт, для скоростей вращения 125 – 1000 об/мин.

Двигатели отличаются от генераторов конструктивно наличием на роторе, необходимой для асинхронного пуска, дополнительной короткозамкнутой обмотки, а также относительно меньшим зазором между статором и ротором.

У синхронных двигателей к.п.д. выше, а масса на единицу мощности меньше, чем у асинхронных на ту же скорость вращения. Ценной особенностью синхронного двигателя по сравнению с асинхронным является возможность регулирования его реактивного тока, т.е. cosφ за счет изменения тока возбуждения обмотки якоря. Таким образом, можно сделать cosφ близким к единице во всех диапазонах работы и, тем самым, поднять кпд и снизить потери в электросети.

Основным недостатком сихронных электромеханических преобразователей является сложность конструкции постравнению с асинхронными двигателями, что в свою очередь приводит к удорожанию данного вида двигателей.

 

Асинхронные двигатели

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

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

Меняя частоту и скважность подводимого к статору напряжения, можно менять скорость вращения и момент на валу двигателя. Наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Ротор выполняется из алюминия, что снижает его вес и стоимость.

Достоинства:

1. Лёгкость в изготовлении.

2. Отсутствие механического контакта со статической частью машины.

Недостатки:

1. Небольшой пусковой момент.

2. Значительный пусковой ток.

В настоящее время, это наиболее часто используемый тип двигателей. Основной способ борьбы с недостатками асинхронного двигателя – это применение частотного привода. Частотный привод преобразует напряжение сети 220/380В в импульсное напряжение переменной частоты и скважности. Тем самым удается в широких пределах менять частоту оборотов и момент на валу двигателя и избавиться практически от всех его врожденных недостатков. Единственная «ложка дегтя» в этой «бочке меда», это высокая цена частотного привода, но на практике все затраты окупаются в течение года!

 

Серводвигатели

Серводвигатели созданы для применений, имеющие высокие требования к динамике перемещения. Применение постоянных магнитов в качестве возбуждения со стороны ротора уменьшает его момент инерции, а также облегчает отдачу тепла, так как основная мощность выделяется на статоре двигателя и отдается в окружающую среду посредством естественного либо принудительного охлаждения.

Основные преимущества синхронных серводвигателей по отношению к асинхронным – высокая динамика, точность позиционирования и удельная мощность.

Так же синхронные серводвигатели имеют достаточно высокую номинальную скорость вращения – до 6000 об/мин.

Сравнение удельной мощности асинхронных и синхронных двигателей (отношение мощности к объему двигателя) показывает, что удельная мощность синхронных двигателей в 1.5-3 раза больше удельной мощности асинхронных.

Эти двигатели занимают особую нишу, они применяются там, где требуются прецизионные изменения положения и скорости движения. Это космическая техника, роботостроение, станки с ЧПУ и т.д.

Такие двигатели отличаются применением якорей малого диаметра, т.к. малый диаметр — это малый вес. За счет малого веса удается добиться максимального ускорения, т.е. быстрых перемещений. Эти двигатели обычно имеют систему датчиков обратной связи, что позволяет увеличить точность движения и реализовать сложные алгоритмы перемещений и взаимодействия различных систем.

 

Мотор-ролики

Конструкция таких роликов довольно проста: внутри ведущего ролика находится миниатюрный электродвигатель постоянного тока и редуктор. Мотор ролики применяются на различных конвейерах и сортировочных линиях.

Преимущества мотор-роликов – это низкий уровень шума, более высокий кпд по сравнению с внешним приводом, мотор-ролик практически не нуждается в техобслуживании, поскольку он работает только когда нужно переместить конвейер, его ресурс очень большой. Когда такой ролик выйдет из строя, его можно заменить другим за минимальное время.

 

Вентильные электродвигатели

Вентильным называют любой двигатель, в котором регулирование режимов работы производится с помощью полупроводниковых (вентильных) преобразователей. Как правило, это синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Статор двигателя управляется при помощи инвертора с микропроцессорным управлением. Двигатель оснащен системой датчиков, для осуществления обратной связи по положению, скорости и ускорению.

Основные достоинства вентильных электродвигателей это:

1. Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания,

2. Высокий ресурс;

3. Большой пусковой момент  и большая перегрузочная способность  по моменту в (5 и более раз);

4. Высокое быстродействие  по переходным процессам;

5. Огромный диапазон регулировок  по частоте вращения 1:10000 и более, что минимум на два порядка  выше, чем у асинхронных двигателей;

6. Самые лучшие показатели  по КПД и cosφ, их КПД на всех нагрузках превышает 90%. В то время, как у асинхронных двигателей КПД на половинных нагрузках может падать до 40-60%!

7. Минимальные токи холостого  тока и пусковые токи;

8. Минимальные массогабаритные  показатели;

9. Минимальные сроки окупаемости.

По конструктивным особенностям такие двигатели делятся на два основных типа: бесконтактные двигатели постоянного и переменного токов.

Главным направлением совершенствования вентильных электродвигателей в настоящий момент является разработка адаптивных бездатчиковых алгоритмов управления. Это позволит снизить себестоимость и повысить надежность таких приводов.

Ежегодные электротехнические выставки наглядно демонстрируют постоянный рост количества фирм, стремящихся освоить это направление. Лидеры этого рынка как всегда Siemens AG, General Electric, Bosch Rexroth AG, Ansaldo, Fanuc и др.

 

Сопоставление достоинств и недостатков электромеханических преобразователей

 

Рассмотрев основные типы и виды электромеханических преобразователей можно сделать вывод, что на данный момент бурное развитие получают системы электродвигателей переменного тока, а именно асинхронные двигатели. Обеспечивается это главным образом тем, что данный вид двигателей имеет ряд преимуществ по сравнению с другими:

1. простота конструкций;

2. сравнительно низкая  себестоимость

3. широкая область применения

4. совершенствование способов  управления двигателем

Все эти унифицированные достоинства делают применение асинхронных электромеханических преобразователей наиболее рациональным по сравнению с другими.

 

Перспективы развития и области рационального применения электромеханических преобразователей

 

В мире ежегодно выпускается порядка семи миллиардов электродвигателей. В основном это двигатели переменного тока, которые потребляют около 70% общего количества произведенной электроэнергии и, соответственно, являются основными потребителями электроэнергии. Поэтому в настоящее время первостепенное значение, наряду с задачами оптимального конструирования асинхронных, синхронных двигателей и их разновидностей, приобретает задача оптимального моделирования электроприводов переменного тока, которое поможет в оптимизации конструкции электромеханических преобразователей.

Также отметим, что важна проблема энергоэффективности электродвигателей.

В современном мире вопросам энергоэффективности уделяется особое внимание. Объясняется это отчасти тем, что решение данной задачи может привести к достижению основных целей международной энергетической политики:

• повышению энергетической безопасности;

• снижению вредного экологического воздействия вследствие использования энергоресурсов;