Что нужно знать о современных электродвигателях. Как повысить КПД электродвигателя: выбираем оптимальное решение В чем преимущество электродвигателя по сравнению с

Сравнение двс и электрического двигателя - страница №1/1

Сравнение ДВС и электрического двигателя

Преимущества ДВС

1. Высокая дальность передвижения на одной заправке;

2. Малый вес и объем источника энергии (топливного бака).

Недостатки ДВС

1. Низкий средний КПД во время эксплуатации;

2. Высокое загрязнение окружающей среды;

3. Обязательное наличие КПП;

4. Отсутствие режима рекуперации энергии;

5. Работа ДВС подавляющую часть времени с недогрузом.

Преимущества электродвигателя:

1. Малый вес;

2. Максимальный момент доступный при 0 об/мин;

3. Нет необходимости в КПП;

4. Высокий КПД;

5. Возможность рекуперации энергии.

Недостатки электродвигателя:

1. Малое плечо на одной зарядке;

2. Долгая зарядка;

3. Малый срок службы батареи;

4. Большой объем и вес батареи.
Гибрид собрал преимущества и минимизировал недостатки обоих типов двигателей.

Преимущества гибрида:

1. Возможность рекуперации;

2. Большой пробег на одной заправке;

4. Максимальный момент доступный при 0 об/мин;

5. ДВС работает с большой степенью равномерности и большой степенью загрузки;

6. Высокий средний КПД;

7. Отсутствие КПП;

8. Высокие экологические показатели.

Недостатки гибрида

1. В автомобиле по сути установлены параллельно две силовые установки (правда каждая из них в усеченном варианте).

2. Проблемы электромобилей заключаются еще и в зиме. Для существующих АКБ низкие температуры не очень полезны. Если принять во внимание такой вот режим езды: Лето, автовладелец живет в своем доме или на стоянке, у него есть возможность заряжать батареи. Ночная зарядка до 100%. Заряда хватает на 200 км. пробега. Для города, в большинстве случаев, вполне достаточно. Хотя большинство проектов электромобилей рассчитывались на, примерно, 400 км. На сколько же хватит заряда? Летом в салоне работают свет, кондиционер, магнитола, а все они потребляют энергию, зимой проблема с обогревом.

3. Малый вес и объем источника энергии (топливный бак и ввб);

Однако батарея весом 80кг - это все-таки много, особенно если учесть, что ёмкость её невелика.

Всё «железо» было придумано примерно 100 лет назад. С тех пор появились новости ТОЛЬКО в электронике - здесь прогресс впечатляющий. А в механике, электротехнике практически ничего не происходит.

Прорывы возникают НА СТЫКЕ дисциплин. Так, например, всего лет пятнадцать назад появились промышленные изделия- транзисторы IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором - тоже своеобразный гибрид, сочетающий качества биполярного транзистора (возможность пропускать большую мощность) и полевого (управление полем(напряжением), а не током). Появление этих транзисторов сделало маленькую революцию- асинхронный электропривод (самый распространённый) стало можно сделать управляемым! Ранее управлялись только двигатели постоянного тока. А у них- обязательно имеются щётки, что сводило их применение, например, на автомобилях, к нулю.

(А теперь на Prius стоят бесщёточные трехфазные двигатели с постоянными магнитами на роторе (постоянные магниты на редкоземельных элементах - тоже новость "на стыке" физики и химии) и управляются инвертором на основе IGBT под управлением микропроцессора...)

Лет тридцать назад аналоговая электроника стала настолько надёжной, что её массово стали применять в системах зажигания. Далее все развивалось постепенно и вдруг оказалось, что микропроцессор гораздо лучше справляется с управлением режимами ДВС, чем любая аналоговая автоматика. Тоже маленькая революция, только от безмозглой автоматики типа "крючочек-пружинка" плавно перешли к программному управлению- а это означает, что РЕЖИМЫ двигателя определяет не конструктор, а программист, соответственно разработка/настройка/наладка резко упрощается и удешевляется

А на Prius этих контроллеров уже штук пять-семь, а на 20ке они соединены по стандартной шине для обмена информацией между управляющими контроллерами (CAN), и контролируют не только ДВС, а и вращение каждого колеса- и сразу возникает возможность простой (дешевой в разработке) программной реализации антипробуксовочной /антиблокировочной/курсовой устойчивости и т.д. и т.п...- то есть обеспечение АКТИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ автомобиля.

Автомобиль превратился в... обычное для современной промышленности автоматическое устройство с программным управлением. И неслучайно это произошло в первую очередь с гибридным автомобилем. (Хотя и другие машины ведущих производителей также стремительно насыщаются микропроцессорной техникой- то есть интеллектуальным управлением). Дело в том, что гибрид был бы невозможен без программного управления (возможен, конечно, но не было бы большого эффекта). Поскольку человек не в состоянии отследить все события, происходящие тысячи раз в секунду в реальном масштабе времени, а вот микропроцессору это по силам. Гибриды - это разумный компромисс, получение максимума возможного из того, что есть ЗДЕСЬ и СЕЙЧАС.

Сравнивать электромобиль и гибрид не надо - это неправильно. Очевидно, что автомобиль на ископаемом топливе умрёт. Но ПОКА он не может умереть. Просто потому, что будет не на чем ездить. Потому, что НЕТ электромобилей приемлемых потребительских качеств - пробег, время заправки, комфорт, стоимость...

Начавшаяся в XX веке электрификация привела к появлению огромного количества полезных изобретений. Одним из них стал электродвигатель.

Мотор лишился механически трущихся и искрящих узлов, превзойдя многие популярные на то время разновидности приводов. На сегодняшний день существуют различные типы электродвигателей, что позволяет внедрить оптимальный вариант в ту или иную машину. Какие именно агрегаты считаются востребованными, в чём состоят их ключевые особенности?

Сразу стоит заметить, что двигатели грубо разделяют на два типа: постоянного и переменного тока. Поэтому мы будем рассматривать характерные особенности каждого из них.

Устройства постоянного тока

Такие агрегаты позволяют создавать регулируемые электроприводы с отличными эксплуатационными свойствами. Существует две категории двигателей, питающихся постоянным током: коллекторные и вентильные.

Первые характеризуются присутствием щёточно-коллекторного узла, который способствует электросоединению неподвижной и вращающей части агрегата. Бесколлекторные (вентильные) - это электродвигатели с замкнутой системой. Они работают так, как и синхронные. Такие агрегаты могут иметь любые габариты. Самыми маленькими оснащают ПК, игрушки и прочие приборы.

Электродвигатели постоянного тока применяются в различных сферах ввиду огромного количества положительных сторон:

• простота управления и регулировки частоты вращения;
• хорошие пусковые свойства;
• компактность;
• возможность использования в разных режимах.

Однако коллекторные приборы нуждаются в трудоёмком профилактическом сервисе. Да и стоимость производства агрегатов довольно высокая, что отражается на их цене.

Устройства переменного тока

Эти агрегаты делят на синхронные и асинхронные. Ключевое отличие в том, что в первых электродвигателях 1 гармоника магнитодвижущей силы стартера перемещается аналогично скорости ротора. У асинхронных поле вращается быстрее. И поскольку двигатели переменного тока задействуют особенно часто, их стоит рассмотреть более детально.

Синхронные модели

Многие виды компьютерного оборудования оснащаются именно этими двигателями. Преимущества их использования очевидны:

• постоянство частоты вращения;
• невысокая чувствительность к перепадам напряжения;
• возможность применения в качестве генератора мощности.

Разумеется, есть и некоторые минусы в виде трудностей с запуском, сложности конструкции и регулировки частоты вращения.

Асинхронные агрегаты

Здесь частота вращения ротора отличается от показателей крутящего поля. По конструктивным особенностям различают устройства с фазным и короткозамкнутым ротором. Больше отличий в конструкции практически нет. Они затрагивают разве что количество обмоток, согласно чему устройства разделяют на одно-, двух- и трёхфазные.

Сегодня асинхронные агрегаты входят в комплектацию огромного количества электрических машин. Благодаря многообразию физических и технических характеристик устройства можно выбрать оптимальное (в зависимости от условий эксплуатации).

К примеру, трёхфазный электродвигатель 1,1 кВт 3 000 об/мин подойдёт для оснащения бетономешалок, компрессоров, насосов и т. д. Однофазный агрегат применим в маломощных устройствах, в числе которых небольшие комнатные вентиляторы.

Среди преимуществ асинхронных электродвигателей стоит выделить:

• простоту изготовления;
• повышенную надёжность;
• малые эксплуатационные расходы.

Однако подобные приборы зависят от напряжения сети, имеют небольшой пусковой момент и вызывают сложности в точной регулировке скорости. Это важно учитывать при покупке.

Незаменимое изобретение

Электрические двигатели применяются буквально везде. Без них невозможно представить работу большинства машин. Их использование помогает снизить трудозатраты человека и сделать повседневную жизнь максимально комфортной.

В данной статье рассматриваются ключевые преимущества и недостатки электромобилей по сравнению с автомобилями c ДВС. Рассмотрены аспекты надежности и долговечности, стоимость обслуживания, скорость, безопасность, запас хода и наличие необходимой инфраструктуры.

Надежность и долговечность

Электромобили значительно надежнее, чем их бензиновые, дизельные и газовые собратья. В них меньше подвижных и изнашиваемых частей, так как двигатель и коробка передач устроены гораздо проще.

В популярном американском электрокаре Chevrolet Bolt всего 35 подвижных частей, которые подвержены износу. В бензиновом автомобиле того же класса Volkswagen Golf таких частей 167.

Кроме того, ДВС из-за своей неэффективности выделяют большое количество тепла во время работы, что ускоряет износ компонентов силового агрегата.

Единственная часть электромобиля, которая может вызывать опасения в плане надежности, это аккумуляторная батарея. Со временем она деградирует, то есть теряет часть своей изначальной энергетической емкости. Однако статистические данные позволяют судить о том, что при надлежащем уходе очень маловероятно, что батарея потеряет более 20% емкости до пробега 250000 км.

На сегодняшний день лишь у 0,003% электромобилей наблюдаются проблемы с батареей, которые требуют её замены до окончания расчетного срока службы транспортного средства (8-10 лет).

Стоимость обслуживания и эксплуатации

Следствием высокой надежности электромобилей являются низкие затраты их владельцев на ремонт и обслуживание.

По данным Американской ассоциации автомобилистов, при 240000 км пробега электромобиль в среднем требует на $2100 рублей меньше расходов на ремонт и замену изношенных частей, чем обычный автомобиль того же класса.

В дополнение к этому, у электрических транспортных средств существенно меньше расходных материалов и жидкостей, требующих регулярной замены. Их тормозные колодки изнашиваются медленнее благодаря технологии рекуперативного торможения.

Наконец, автомобили с электрическим двигателем позволяют крупно сэкономить на топливных расходах. Полная зарядка электричеством даже в пиковые часы будет обходиться владельцу машины дешевле, чем заправка бака обычного автомобиля самым дешевым топливом - сжатым природным газом.

К 100 тыс. км пробега топливная экономия от использования электричества вместо бензина составит около 300 тыс. рублей (при зарядке в ночное время).

Стоимость покупки

Одним из главных на сегодняшний день недостатков электромобилей является их высокая стоимость, которая обусловлена дороговизной аккумуляторных батарей. При отсутствии государственных субсидий и налоговых льгот покупка электромобиля пока не может быть экономически обоснована, даже с учетом экономии при эксплуатации.

Динамика цен на аккумуляторные ячейки позволяет прогнозировать паритет стоимости электромобилей и автомобилей с ДВС не раньше, чем к началу 2020-х годов.

Запас хода

На данный момент, электромобили всё еще отстают от бензиновых и дизельных автомобилей по запасу хода. Лишь немногие модели способны проехать на одном заряде более 500 км. Более того, в условиях низких температур эффективность батарей падает, на обогрев салона требуется дополнительная энергия, поэтому запас хода может уменьшиться на 20%.

Исследование, проведенное в Массачусетском Технологическом Институте, показало, что запас хода современных бюджетных электромобилей достаточен, чтобы покрыть ежедневные нужды 87% американцев без дополнительной подзарядки в течение дня.

С развитием аккумуляторных технологий отставание от бензиновых и дизельных автомобилей удастся сократить, а строительство скоростных зарядных станций вдоль автомагистралей позволит использовать электромобили для дальних поездок (см. п.7).

Скорость и безопасность

Электродвигатели не требуют коробки передач и способны мгновенно передавать максимальный крутящий момент на колеса, благодаря чему электромобили очень динамичны и позволяют безопасно проводить обгоны.

Электрический седан Tesla Model S P100D является одним из самых быстрых серийных автомобилей на планете с разгоном 0-100 км/ч за 2,5 секунды.

Электрическая силовая установка является более эффективной (КПД>90%), чем ДВС и позволяет моментально изменять усилие на каждом из ведущих колес. Это даёт электромобилям высокую курсовую устойчивость и снижает риск заноса.

Низкое расположение аккумуляторной батареи понижает центр тяжести и повышает жесткость кузова, что положительно сказывается на управляемости.

Отсутствие массивного двигателя в передней части электромобиля создает своего рода «буферную зону», смягчающую последствия фронтального столкновения. А наличие батареи под полом защищает пассажиров от боковых ударов.

Технологичность

В электрический транспорт проще интегрировать технологии автономного вождения (автопилот).

Недавно американская компания Waymo (подразделение Google, входящее в холдинг Alphabet), объявила о закупке 20 тысяч электромобилей Jaguar I-Pace для организации собственного сервиса беспилотного такси в США.

Еще одной технологией, доступной только для электромобилей является Vehicle-to-Grid (V2G), которая позволяет сделать их частью энергетической системы. Электрические авто при этом помогают сбалансировать нагрузку на энергосеть и вдобавок дают возможность своим владельцам немного подзаработать на разнице ночных и дневных тарифов.

Удобство зарядки/заправки

Одним из факторов, сдерживающих распространение электромобилей, является медленная скорость зарядки и недостаточное количество зарядных станций.

Количество публично доступных зарядных станций увеличивается, их уже около 500 тысяч, а отношение к количеству электромобилей на дорогах на данный момент составляет 1:6. Тем не менее, мощность большинства публичных зарядных станций не превышает 50кВт. Это значит, что для полной зарядки электромобиля требуется больше часа, в то время как на заправку топливного бака обычного автомобиля уходит не более 10 минут.

Ситуация усугубляется большим количеством стандартов зарядных разъемов, это приводит к несовместимости некоторых моделей электромобилей с зарядными станциями определенного типа. Но, благодаря международному сотрудничеству автопроизводителей, в 2011 году удалось разработать универсальный зарядный стандарт ССS. Он позволяет сочетать зарядку с использованием постоянного и переменного тока, а его последние модификации имеют максимальную мощность в 350 кВт, которая позволяет зарядить электромобиль за 15 минут. На данный момент строительство зарядных станций данного типа активно ведется в ЕС, США, Японии и Китае, однако пока ни один электромобиль не поддерживает зарядку такой мощности.

Экологичность и низкий уровень шума

Производство электромобилей наносит больший экологический вред, чем производство автомобилей с ДВС. Причина - энергоемкость и ресурсоемкость производства батарей, содержащих редкоземельные металлы.

На этап производства приходится около половины всех выбросов парниковых газов за весь жизненный цикл электромобилей.

Тем не менее, большинство научных исследований сходятся на том, что электромобили полностью компенсируют большее экологическое воздействие на производственном этапе меньшими выбросами в процессе эксплуатации. Скорость, с которой они «выходят в плюс» напрямую зависит от уровня развития ВИЭ и других низкоуглеродных источников энергии.

В Норвегии, которая более 95% электроэнергии получает от электростанций - это 25000км пробега, для Москвы (ТЭС на природном газе) - примерно 70000км.

Не стоит забывать, что в месте эксплуатации электромобилей выбросы отсутствуют. Это позволяет вынести загрязнения за пределы городов в районы расположения электростанций, где относительно низкая плотность населения.

Также для электромобилей, в сравнении с традиционными автомобилями, характерно низкое шумовое загрязнение.

Обобщая всё вышесказанное, можно сделать вывод, что на текущей стадии развития технологий, электрические авто уже обладают рядом бесспорных преимуществ по сравнению с бензиновыми и дизельными автомобилями, а в будущем они будут только усиливаться.

Просмотры: 1 852

Tagged

Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей. Так же я бы хотел немного сказать о способах регулировки их частоты вращения, и перечислить их основные преимущества и недостатки.

Раньше, я уже писал статьи, касающиеся асинхронных электродвигателей. Если кому интересно, то можете почитать. Вот список:

Ну а теперь давайте перейдём к теме сегодняшней статьи.

В нынешнее время, очень трудно представить, как бы существовали все промышленные предприятия, если бы не было асинхронных машин. Эти двигателя установлены практически везде. Даже дома у каждого человека есть такой двигатель. Он может стоять на вашей стиральной машинке, на вентиляторе, на насосной станции, в вытяжке и так далее.

Вообще асинхронный электродвигатель – это колоссальный прорыв в мировой промышленности. Во всём мире их выпускают более 90 процентов от количества всех выпускаемых двигателей.

Асинхронный электродвигатель – это электрическая машина, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. То есть потребляет электрический ток, а взамен дают крутящий момент, с помощью которого можно вращать многие агрегаты.

А само слово «асинхронный» — означает неодновременных или не совпадающий по времени. Потому что у таких двигателей частота вращения ротора немного отстаёт от частоты вращения электромагнитного поля статора. Ещё это отставанием называют – скольжением.

Обозначается это скольжение буквой: S

А вычисляется скольжение по такой формуле: S = (n1 — n2)/ n1 — 100%

Где, n1 – это синхронная частота магнитного поля статора;

n2 – это частота вращения вала.

Устройство асинхронного электродвигателя.

Двигатель состоит из таких частей:

1. Статор с обмотками. Или станина внутри которой находится статор с обмотками.

2. Ротор. Это если короткозамкнутый. А если фазный, то можно сказать, что это якорь или даже коллектор. Я думаю, ошибки не будет.

3. Подшипниковые щиты. На мощных двигателях ещё спереди стоят подшипниковые крышки с уплотнителями.

4. Подшипники. Могут стоять скольжения или качения, в зависимости от исполнения.

5. Вентилятор охлаждения. Изготавливается из пластмассы или металла.

6. Кожух вентилятора. Имеет прорези для подачи воздуха.

7. Борно или клеммная коробка. Для подключения кабелей.

Это все его основные детали, но в зависимости от вида, типа и исполнения может немного изменяться.

Асинхронные электродвигателя в основном выпускают двух видов: трёхфазные и однофазные. В свою очередь трёхфазные ещё подразделяются на подвиды: с короткозамкнутым ротором или фазным ротором.

Самые распространённые – это трёхфазные с короткозамкнутым ротор.

Статор имеет круглую форму и набирается с листов специальной стали, которые изолированы между собой, и эта собранная конструкция образует сердечник с пазами. В пазы сердечника укладываются обмотки, со специального обмоточного, изолированного лаком провода. Провод это отливают в основном из меди, но также есть и с алюминия. Если двигатель очень мощный, то обмотки делаю шиной. Обмотки укладывают так, чтобы они были сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов. Соединяются обмотки статора в звезду или в треугольник.

Ротор, как выше я уже писал выше, бывает короткозамкнутый или фазный.

Короткозамкнутый представляет собой вал, на который надеваются листы, из тоже специальной, стали. Эти наборные листы образую сердечник, в пазы которого заливают расплавленный алюминий. Этот алюминий равномерно растекается по пазам и образует стержни. А по краям эти стержни замыкают алюминиевыми кольцами. Получается своего рода «беличья клетка».

Фазный ротор представляет собой вал с сердечником и тремя обмотками. Одни концы, которых обычно соединяют в звезду, а вторые три конца присоединяют к токосъемным кольцам. А на эти кольца, с помощью щёток подают электрический ток.

Если в цепь фазных обмоток добавить нагрузочный реостат, и при пуске двигателя увеличивать активное сопротивление, то таким способ можно уменьшить большие пусковые токи.

Принцип действия.

Когда на обмотки статора подаются электрический ток, то в этих обмотках возникает электрический поток. Как вы помните, из выше написанных слов, фазы у нас смещены относительно друг друга на 120 градусов. И вот этот поток в обмотках начинает вращаться.

И при вращении магнитного потока статора, в обмотках ротора появляется электрический ток, и своё магнитное поле. Два этих магнитных поля начинают взаимодействовать и заставляют вращаться ротор электродвигателя. Это если ротор короткозамкнутый.

По принципу роботы вот посмотрите видео ролик.

Ну а с фазным ротором, по сути, принцип тот же. Напряжение подаётся на статор и на ротор. Появляются два магнитных поля, которые начинают взаимодействовать и вращать ротор.

Достоинства и недостатки асинхронных двигателей.

Основные достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:

1. Очень простое устройство, что позволяет сократить затраты на его изготовление.

2. Цена намного меньше по сравнению с другими двигателями.

3. Очень простая схема запуска.

4. Скорость вращения вала практически не меняется с увеличением нагрузки.

5. Хорошо переносит кратковременные перегрузы.

6. Возможность подключения трёхфазных двигателей в однофазную сеть.

7. Надёжность и возможность эксплуатировать практически в любых условиях.

8. Имеет очень высокий показатель КПД и cos φ.

Недостатки:

1. Не возможности контролировать частоту вращения ротора без потери мощности.

2. Если увеличить нагрузку, то уменьшается момент.

3. Пусковой момент очень мал по сравнению с другими машинами.

4. При недогрузе увеличивается показатель cos φ

5. Высокие показатели пусковых токов.

Достоинства двигателей с фазным ротором:

1. По сравнению с короткозамкнутыми двигателями, имеет достаточно большой вращающий момент. Что позволяет его запускать под нагрузкой.

2. Может работать с небольшим перегрузом, и при этом частота вращения вала практически не меняется.

3. Небольшой пусковой ток.

4. Можно применять автоматические пусковые устройства.

Недостатки:

1. Большие габариты.

2. Показатели КПД и cos φ меньше, чем у двигателей с короткозамкнутым ротором. И при недогрузе эти показатели имеют минимальное значение

3. Нужно обслуживать щёточный механизм.

На этом буду заканчивать свою статью. Если она была вам полезной, то поделитесь нею со своими друзьями в социальных сетях. Если есть вопросы, то задавайте их в комментариях и подписывайтесь на обновления. Пока.

С уважением Александр!