Двигатель мотор и генераторы

Как работают электрические двигатели и генераторы?

Большинство людей понимают, что электродвигатель работает от электричества, мы каждый день наблюдаем это на примерах нашей бытовой техники- стиральные машины, пылесосы, кухонные комбайны. Но идея о том, что двигатель может «бежать назад», фактически вырабатывая электричество, а не потребляя его, кажется похожей на магию. Однако именно эта «магия», называемая генерацией тока, лежит в основе работы всех автомобилей, причем не только бензиновых, но и электрических.

Электромагнетизм

Моторы и генераторы

Электромеханичекое вращение

Электродвигатели/генераторы могут быть двух типов:

В случае с переменным током могут быть также двухфазные моторы и трехфазные. Не вдаваясь в подробности, поясним это различие на пальцах: переменный ток меняет направление (чередуется), когда он протекает через цепь. Постоянные токи протекают однонаправленно (остаются неизменными) когда они проходят через цепь. Тип используемого тока в основном связан со стоимостью устройства и его эффективностью (двигатель переменного тока/генератор, как правило, дороже, но также намного эффективнее). Достаточно сказать, что большинство машин гибридного типа, а также электромобили используют двигатели/генераторы переменного тока.

Ротор автомобильного генератора

Электродвигатель переменного тока / генератор состоит из 4 основных частей:

Арматура (якорь) управляется механическим источником мощности (например, при коммерческом производстве электроэнергии это будет паровая турбина, в случае с автомобилем – коленвал, приводимый в движение шатунами). Когда этот ротор вращается, его проводная катушка проходит через постоянные магниты в статоре, и электрический ток создается в проводах якоря. Но поскольку каждая отдельная петля в катушке проходит сначала северный полюс, а затем южный полюс каждого магнита последовательно (когда он вращается на своей оси), индуцированный ток непрерывно и быстро меняет направление. Каждое изменение направления называется циклом, и оно измеряется в циклах в секунду или герцах (Гц). В Соединенных Штатах скорость цикла составляет 60 Гц (60 раз в секунду), тогда как в России и других развитых странах мира она составляет 50 Гц. На каждом из двух концов ротора установлены отдельные кольца скольжения, чтобы обеспечить путь для выхода тока из якоря. Щетки (которые на самом деле являются углеродными контактами) движутся по кольцам скольжения и завершают путь тока в цепь, к которой подключен генератор.

Полезное видео, наглядно показывающее принцип раоты автомобильного генератора:

Процесс вращения электродвигателя, генерация механической мощности, который по сути является, обратным действию генератора, работает наоборот – при попадании тока в катушки, начинается вращение якоря. Ток подается через цепь, через щеточки и кольца скольжения непосредственно в якорь. Этот ток, протекающий через катушечный ротор (якорь), превращает его в электромагнит. Постоянные магниты в статоре «отталкиваются» от электромагнитов и заставляют якорь вращаться. И вновь-таки смена полюсов: именно постоянная, частая смена полюсов и заставляют систему вращаться. Пока электричество проходит через цепь, двигатель будет работать. И наоборот – пока вал генератора/мотора вращается – на клеммах будет электрический ток.

Источник

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

26.07.2013

Для широкого и плавного регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока применяется система генератор — двигатель (Г — Д). Основной принцип этой системы заключается в изменении приложенного к якорю двигателя напряжения при неизменном напряжении цепи возбуждения.

Система Г—Д (рис. 1) состоит из двигателя постоянного тока с независимым возбуждением М2, непосредственно связанного с рабочим механизмом (исполнительный двигатель). Он питается электрической энергией от генератора G, приводимого во вращение двигателем M1. Обмотки возбуждения генератора LG и двигателя LM2 получают питание от независимого источника постоянного тока с неизменным напряжением.

Первичный двигатель M1, вращающий якорь генератора G, представляет собой механический или электрический двигатель, причем приводимый им генератор не требует ни реверсирования, ни регулирования частоты вращения.

Основным требованием, предъявляемым к первичному двигателю, является жесткость его механической характеристики, поэтому механические двигатели снабжают всережимными регуляторами частоты вращения, а электрические выбирают с жесткой характеристикой. Итак, первичный двигатель вращается с n = const и не реверсируется

Исполнительный двигатель управляется изменением значения и направления тока в обмотках возбуждения LG и LM2.

Механическая характеристика исполнительного двигателя в си-стеме Г—Д подобна механическим характеристикам двигателя с независимым возбуждением.

Естественная механическая характеристика 0 (см. рис. 2.3) возможна при номинальной частоте вращения генератора и отсутствии добавочных резисторов в цепях возбуждения генератора и исполнительного двигателя.

Ее наклон несколько больше, чем характеристики двигателя, работающего от сети, так как к сопротивлению якоря двигателя добавляется сопротивление якоря генератора.

При увеличении сопротивления реостата R1 уменьшаются ток возбуждения генератора и его э.д.с. Частота вращения двигателя М2 при этом уменьшится (характеристика 3).

Увеличение сопротивления реостата R2 вызывает уменьшение магнитного потока двигателя М2, частота вращения его увеличится (характеристика 2).

Двигатель реверсируется изменением направления тока в обмотке возбуждения генератора, при этом меняется направление его э. д. с. и тока в цепи якоря двигателя (магнитный поток двигателя остается неизменным).

Механические характеристики системы Г—Д жесткие. Для предотвращения поломок механизма необходимо ограничивать максимальный момент двигателя М2, что достигается смягчением характеристик.

Существуют следующие способы смягчения механических характеристик исполнительного двигателя: применение исполнительного электродвигателя со смешанным возбуждением; применение генератора со смешанным возбуждением и встречно включенной последовательной обмоткой.

Читайте также:  Магнето на ока двигатель

Использование последовательной обмотки у исполнительного двигателя (рис. 2, а) позволяет получить более мягкие характеристики (рис. 2, б) по сравнению с характеристиками двигателя только с независимым возбуждением. Однако этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что при реверсировании двигателя изменяется направление тока в обмотке LM2.2 и она начинает противодействовать обмотке LM2.1, размагничивая двигатель. Во избежание этого последовательную обмотку включают не непосредственно в цепь якоря, а через мостовой полупроводниковый выпрямитель U, обеспечивающий постоянное направление тока в ней.
Применение размагничивающей обмотки генератора лишено указанного недостатка, поэтому используется наиболее часто.

Принцип смягчающего действия размагничивающей обмотки LG2 (рис. 3, а) заключается в следующем: с увеличением нагрузки исполнительного двигателя ток якоря увеличивается, размагничивающее действие обмотки возрастает, э.д.с. генератора и частота вращения двигателя уменьшаются.

Механические характеристики показаны на рис. 3, б. Искривленная форма характеристик 0,1,3 объясняется насыщением генератора. При насыщенном генераторе размагничивающее влияние обмотки меньше, чем при ненасыщенном, в начале участка характеристики более жесткие, а затем при больших нагрузках насыщение исчезает и характеристики становятся круче. Если же ток независимой обмотки возбуждения генератора невелик и насыщение отсутствует, характеристика становится прямой (характеристика 2).

При изменении направления тока в независимой обмотке возбуждения генератора меняется направление тока в якоре и последовательной обмотке возбуждения; таким образом, размагничивающее действие последовательной обмотки сохраняется.

Торможение исполнительного двигателя в системе Г — Д выполняют всеми методами, рассмотренными в статье «Регулирование частоты вращения, пуск, реверсирование и торможение электродвигателей постоянного тока».

Следует отметить, что снижение к. п. д. в значительной мере компенсируется возможностью экономичного управления исполнительным электродвигателем при его пуске и регулировании частоты вращения. Эта экономия энергии особенно заметна в электроприводах, требующих частых пусков и реверсов двигателя.

Вместо системы Г — Д целесообразно использовать систему управляемый выпрямитель — двигатель постоянного тока (УВ—Д), силовая цепь которой приведена на рис. 4.

К якорю двигателя М приложено выпрямленное напряжение, регулируемое с помощью полупроводникового выпрямителя VI — V6, собранного по мостовой схеме. Силовая цепь выпрямителя состоит из трех тиристоров VI — V3 и трех неуправляемых диодов V4 — V6. Управление осуществляют изменением фазы открытия тиристоров.

Источник

Двигатель – сердце электростанции

Содержание:

Часто при выборе установки для автономного электроснабжения покупатели все свое внимание уделяют основным техническим характеристикам, забывая о самом главном – двигателе. А недостаток информации об этом является одним из наиболее часто встречающихся «подводных камней» при покупке электростанции. Как можно узнать, качественный или некачественный двигатель установлен в выбранной Вами модели? Ведь скупые цифры в характеристиках мало чего скажут. Чтобы не ошибиться при выборе, лучше разобраться в данном вопросе заранее.

Устройство и принцип работы

В автономных электростанциях, как и в автомобилях, устанавливаются двигатели внутреннего сгорания. За счет сжигания топлива вырабатывается энергия, которая преобразуется в механическую и приводит в действие генератор, который вырабатывает электрический ток. В разных типах двигателей процесс работы происходит по-своему. В связи с этим различают:

Так как двухтактные двигатели очень компактны, их устанавливают в бензогенераторах невысокой мощности (до 1 кВт), что позволяет сделать устройства малогабаритными и легкими. Для более мощных установок используются четырехтактные двигатели, которые гораздо проще в эксплуатации: не требуется предварительного приготовления масляно-топливной смеси. К тому же, обеспечивается более тихая работа и экономичный расход топлива.

Важно знать! При выборе генератора Вы можете столкнуться с такой аббревиатурой в названии двигателя как «OHV». В переводе с английского overhead-valve, она означает «верхний клапан». Такое расположение клапанов характерно для четырехтактных двигателей. Это способствует меньшему расходу топлива и масла. Гораздо реже встречается маркировка «ОНС» (верхнее расположение распределительного вала). Эта новинка, позаимствованная из автомобилестроения, применяется в двигателях Robin Subaru. Такая система отличается пониженным износом деталей, более экономичным расходом топлива и увеличенной производительностью.

Кроме конструктивных отличий, необходимо учесть еще и вид используемого топлива. Одни генераторы оснащаются бензиновыми двигателями, другие – дизельными. В данном случае выбор нужно делать не только из-за цен на топливо, но и из предполагаемых условий эксплуатации.

Отличия бензинового и дизельного двигателей

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие от воспламенения топливно-воздушной смеси при возникновении искры. А в дизельных воспламенение происходит от сжатия, степень которого может составлять от 14:1 до 24:1, и в течение рабочего цикла топливо в цилиндре сгорает практически полностью, передавая энергию для движения поршня. Дизельные двигатели менее чувствительны к детонации, по сравнению с бензиновыми, и отличаются более экономичным потреблением топлива. Но они имеют и высокую стоимость, и, следовательно, генераторы с дизельными двигателями стоят дороже, чем бензиновые аналоги. Их применение будет целесообразным, если необходимо обеспечить круглосуточное электроснабжение здания или подавать электроэнергию к технике в течение рабочей смены.

Дизельные двигатели большой мощности (свыше 10 кВт) имеют систему жидкостного охлаждения, которая предотвращает перегрев и исключает остановку при интенсивных нагрузках. Стационарные электростанции с такими системами могут работать непрерывно в течение нескольких месяцев!

Если же Вы планируете использовать генератор не так часто, например, во время загородных поездок, на даче или в гараже, а также в качестве резервного источника электропитания во время нечастых отключений электроэнергии, подойдет модель, оснащенная бензиновым двигателем. Одним из главных его преимуществ является легкий запуск при минусовой температуре.
На эксплуатационные характеристики также влияет качество сборки и используемых деталей двигателя. Поэтому очень важно обратить внимание на фирму-производителя двигателя, которым оснащена электростанция.

Какие марки двигателей устанавливают в генераторах?

Одни производители используют двигатели собственного производства (Hyundai, FUBAG), другие закупают детали и осуществляют сборку на собственном предприятии и выпускают более дешевые аналоги фирменных двигателей, например Ranger. Но наибольшей популярностью пользуются электростанции, в которых установлены двигатели у всемирно известных производителей автомобилей. Доверие заслужили следующие марки: Honda, MITSUBISHI, Robin (Subaru), Briggs&Straton, Kohler, Yanmar Lamborgini. Такими двигателями оснащаются бензиновые и дизель-генераторы SDMO, Makita, Telwin, Hitachi, Wacker Neuson и многие другие. Причем, один производитель может использовать в разных сериях оборудования как свои, так и двигатели других фирм, в зависимости от класса установок.

Читайте также:  Двигатель для обогрева двигателя

Одним из лидирующих производителей дизельных двигателей является американская компания John Deere, которая имеет более чем 85-летний опыт работы в этой сфере. Ее заводы находятся в Европе, Северной и Латинской Америке. Двигатели этой марки устанавливаются во внедорожниках, сельскохозяйственной технике, компрессорах и генераторах – более 700 производителей доверяют John Deere. Такие двигатели рассчитаны на интенсивные нагрузки и непрерывную эксплуатацию в течение длительного времени. Они работают даже в неблагоприятных условиях, например, при некачественном топливе, и не требуют частого технического обслуживания. Чаще всего двигатели John Deere устанавливаются в стационарных электростанциях мощностью от 20 до 100 кВт (например, SDMO).

Преимущество фирменных двигателей в том, что заявленные характеристики соответствуют реальным. Важным показателем является степень сжатия (чем выше ее значение, тем больше топливная экономичность двигателя). К примеру, заявлена степень сжатия 8, в некачественном двигателе она может быть не более 7,6. То же самое с температурой выхлопных газов и температурой масла, эти значения не должны превышать 450 и 115 градусов соответственно. Что за собой влечет нарушение этих норм? Во время эксплуатации при максимальной нагрузке через 10-15 минут двигатель начнет «задыхаться». К тому же, генератор может не выдержать пиковых нагрузок во время запуска мощного оборудования, например, насоса. Фирменные двигатели имеют достаточный запас мощности и не заглохнут при увеличении нагрузки потребителей.

Оригинальная продукция имеет моторесурс, превышающий более чем в 5 раз моторесурс двигателей-копий, следовательно, и поломки случаются гораздо реже. Но стоимость электростанций, оснащенных фирменными движками, на порядок выше китайских аналогов. Если оборудование необходимо Вам для ежедневного использования, то рациональнее будет не скупиться при его покупке, тем самым сэкономив на эксплуатации и обслуживании. В случае, когда генератор будет использоваться не интенсивно, например, в быту или на даче, можно выбрать более доступный по цене вариант.

Источник

Двигатель мотор и генераторы

Мотор-генератор своими руками (опыты, видео, принцип работы)

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к способам и оборудованию для генерирования электрической энергии, и может быть использовано в автономных системах электроснабжения, в автоматике и бытовой технике, на авиационном, морском и автомобильном транспорте.

За счет нестандартного способа генерации, и оригинальной конструкции мотора-генератора, режимы генератора и электромотора, объединены в одном процессе, и неразрывно связаны. В результате чего, при подключении нагрузки, взаимодействие магнитных полей статора и ротора образует вращающий момент, который по направлению совпадает с моментом, создаваемым внешним приводом.

Другими словами, при увеличении мощности потребляемой нагрузкой генератора, ротор мотора-генератора начинает ускоряться, и соответственно понижается мощность, потребляемая внешним приводом.

Уже давно по Интернету ходят слухи о том, что генератор с кольцевым якорем Грамма, был способен вырабатывать электрической энергии больше чем было затрачено механической и происходило это за счет того, что под нагрузкой не было тормозящего момента.

Результаты экспериментов, которые привели к изобретению мотора-генератора.

Уже давно по Интернету ходят слухи о том, что генератор с кольцевым якорем Грамма, был способен вырабатывать электрической энергии больше, чем было затрачено механической и происходило это за счет того, что под нагрузкой не было тормозящего момента. Эта информация подтолкнула нас на проведение ряда экспериментов с кольцевой обмоткой, результаты которых мы покажем на этой странице. Для экспериментов, на тороидальный сердечник, были намотаны 24шт., не зависимые обмотки, с одинаковым количеством витков.

1) Вначале вес обмотки были включены последовательно, выводы на нагрузку расположены диаметрально. В центре обмотки был расположен постоянный магнит с возможностью вращения.

После того как магнит с помощью привода приводился в движение, подключалась нагрузка и лазерным тахометром измерялись обороты привода. Как и следовало ожидать, обороты приводного двигателя начинали падать. Чем большую мощность потребляла нагрузка, тем сильнее падали обороты.

2) Для лучшего понимания процессов происходящих в обмотке, вместо нагрузки был подключен миллиамперметр постоянного тока.
При медленном вращении магнита, можно наблюдать, какая полярность и величина выходного сигнала, в данном положении магнита.

Из рисунков видно, когда полюсы магнита, находятся напротив выводов обмотки (рис. 4;8), ток в обмотке равен 0. При положении магнита, когда полюсы находятся в центре обмотки, мы имеем максимальное значение тока (рис. 2;6).

3) Нa следующем этапе экспериментов, использовалась только одна половина обмотки. Магнит также медленно вращался, и фиксировались показания прибора.

Показания прибора полностью совпадали с предыдущим экспериментом (рис 1-8).

4) После этого к магниту подключили внешний привод и начали его вращать на максимальных оборотах.

При подключении нагрузки, привод начал набирать обороты!

Другими словами, при взаимодействии полюсов магнита, и полюсов образующихся в обмотке с магнитопроводом, при прохождении через обмотку тока, появился вращающий момент, направленный по ходу вращающего момента созданного приводным двигателем.

Рисунок 1, идет сильное торможение привода при подключении нагрузки. Рисунок 2, при подключении нагрузки привод начинает ускоряться.

Читайте также:  Ларгус рычаг коробки передач

5) Что бы понять что происходит, мы решили создать карту магнитных полюсов, которые появляются в обмотках при прохождении через них тока. Для этого была проведена серия экспериментов. Обмотки подключались в разных вариантах, а на концы обмоток подавались импульсы постоянного тока. При этом на пружине был закреплен постоянный магнит, и по очереди располагался рядом с каждой из 24 обмоток.

По реакции магнита (отталкивался он или притягивался) была составлена карта проявляющихся полюсов.

Из рисунков видно, как проявлялись магнитные полюсы в обмотках, при различном включении (желтые прямоугольники на рисунках, это нейтральная зона магнитного поля).

При смене полярности импульса, полюсы как и положено менялись на противоположные, по этому разные варианты включения обмоток, нарисованы при одной полярности питания.

6) Па первый взгляд, результаты на рисунках 1 и 5 идентичны.

При более подробном анализе, стало ясно, что распределение полюсов по окружности и «размер» нейтральной зоны довольно сильно отличаются. Сила с которой магнит притягивался или отталкивался от обмоток и магнитопровода показана градиентной заливкой полюсов.

7) При сопоставлении данных экспериментов описанных в пунктах 1 и 4, кроме кардинальной разницы в реакции привода на подключение нагрузки, и существенной разницы в «параметрах» магнитных полюсов, были выявлены и другие отличия. При проведении обоих экспериментов, параллельно нагрузке был включен вольтметр, а последовательно с нагрузкой включался амперметр. Если показания приборов из первого эксперимента (пункт 1), взять за 1, то во втором эксперименте (пункт 4), показание вольтметра так же было равно 1. По показания амперметра составляло 0,005 от результатов первого эксперимента.

8) Исходя из изложенного в предыдущем пункте, логично предположить, если в незадействованной части магнитопровода, сделать немагнитный (воздушный) зазор, то сила тока в обмотке должна увеличиться.

После того как был сделан воздушный зазор, магнит снова подключили к приводному двигателю, и раскрутили на максимальные обороты. Сила тока действительно возросла в несколько раз, и стала составлять примерно 0,5 от результатов эксперимента по пункту 1,
но при этом появился тормозной момент на привод.

9) Способом, который описан в пункте 5, была составлена карта полюсов данной конструкции.

10) Сопоставим два варианта

Не трудно предположить, если увеличить воздушный зазор в магнитопроводе, геометрическое расположение магнитных полюсов по рисунку 2, должно приблизиться к такому расположению как в рисунке 1. А это в свою очередь, должно привести к эффекту ускорения привода, который описан в пункте 4 (при подключении нагрузки, вместо торможения, создается добавочный момент к вращающему моменту привода).

11) После того как зазор в магнитопроводс был увеличен до максимума (до краев обмотки), при подключении нагрузки вместо торможения, привод снова начал набирать обороты.

При этом карта полюсов обмотки с магнитопроводом выглядит так:

На основе предложенного принципа генерации электроэнергии, можно конструировать генераторы переменного тока, которые при повышении электрической мощности в нагрузке, не требуют повышения механической мощности привода.

Принцип работы Мотора Генератора.

Согласно явлению электромагнитной индукции при изменении магнитного потока проходящего через замкнутый контур, в контуре возникает ЭДС.

Согласно правилу Ленца: Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток. При этом не имеет значения, как именно магнитный поток, движется по отношению к контуру (Рис. 1-3).

Способ возбуждения ЭДС в нашем моторе-генераторе аналогичен рисунку 3. Он позволяет использовать правило Ленца для увеличения вращающего момента на роторе (индукторе).

1) Обмотка статора
2) Магнитопровод статора
3) Индуктор (ротор)
4) Нагрузка
5) Направление вращения ротора
6) Центральная линия магнитного поля полюсов индуктора

При включении внешнего привода, ротор (индуктор) начинает вращаться. При пересечении начала обмотки магнитным потоком одного из полюсов индуктора в обмотке индуцируется ЭДС.

При подключении нагрузки, в обмотке начинает течь ток и полюса возникшего в обмотках магнитного поля согласно правилу Э. X. Ленца направлены на встречу возбудившего их магнитного потока.
Так как обмотка с сердечником расположена по дуге окружности, то магнитное поле ротора, движется вдоль витков (дуги окружности) обмотки.

При этом в начале обмотки согласно правилу Ленца, возникает полюс одинаковый с полюсом индуктора, а на другом конце ротивоположный. Так как одноименные полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются, индуктор стремится принять положение, которое соответствует действию этих сил, что и создает добавочный момент, направленный по ходу вращения ротора. Максимальная магнитная индукция в обмотке достигается в момент, когда центральная линия полюса индуктора находится напротив середины обмотки. При дальнейшем движении индуктора, магнитная индукция обмотки уменьшается, и в момент выхода центральной линии полюса индуктора за пределы обмотки, равна нулю. В этот же момент, начало обмотки начинает пересекать магнитное поле второго полюса индуктора, и согласно правилам, описанным выше, край обмотки от которого начинает отдаляться первый полюс начинает его отталкивать с нарастающей силой.

Рисунки:
1) Нулевая точка, полюсы индуктора (ротора) симметрично направлены на разные края обмотки в обмотке ЭДС=0.
2) Центральная линия северного полюса магнита (ротора) пересекла начало обмотки, в обмотке появилась ЭДС, и соответственно проявился магнитный полюс одинаковый с полюсом возбудителя (ротора).
3) Полюс ротора находится в центре обмотки, и в обмотке максимальное значение ЭДС.
4) Полюс приближается к концу обмотки и ЭДС снижается до минимума.
5) Следующая нулевая точка.
6) Центральная линия южного полюса входит в обмотку и цикл повторяется (7;8;1).

Видео-ролик первого эксперимента:

Видео-ролик второго эксперимента:

Источник

Ответы на популярные вопросы