Что называется реверсированием двигателя

Реверсирование и электрическое торможение асинхронных двигателей.

Для изменения направления вращения, реверсирования, асинхронного двигателя необходимо поменять местами два любых линейных провода, соединяющих трехфазную сеть со статором машины. При таком переключении порядок чередования токов в фазах изменяется на обратный, что вызывает изменение направления вращения поля и направления вращения двигателя. Схема реверсирования двигателя представлена на рис. 1; положения 1 и 2 рубильника соответствуют различным порядкам чередования токов в фазах и, следовательно, противоположным направлениям вращения двигателя.

Включение неподвижного двигателя в том или другом направлении производится путем включения рубильника в положение 1 или 2. При реверсировании двигателя на ходу путем переключения рубильника вначале происходит торможение от данной скорости до нулевой, а затем разгон в другом направлении. Такое торможение может быть использовано также для торможения при так называемом противовключении. При таком реверсировании или торможении у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором имеют место значительные токи. Поэтому исходя из условий нагрева для этих двигателей допустимо число реверсирований в час не более десятков. Для ограничения токов и увеличения вращающих моментов в цепь фазного ротора асинхронного двигателя вводят сопротивление.

Рассмотрим три основных способа электрического торможения асинхронных двигателей.

Торможение по способу противовключения, как было указано, производится при переключении двигателя на ходу. Магнитное поле при этом вращается в другую сторону относительно направления вращения двигателя, и вращающий момент двигателя является тормозным — действует против направления вращения.

Генераторное торможение имеет место при переключении многоскоростного двигателя на ходу с большей скорости на меньшую, т.е. при переключении машины с меньшего числа полюсов на большее. В первый момент переключения скорость двигателя оказывается намного больше скорости его поля, т.е., скольжение получается отрицательным и машина переходит в режим работы генератором. Торможение происходит с превращением кинетической энергии вращающихся частей в электрическую энергию, которая за вычетом потерь в машине отдается в сеть. Генераторное торможение может быть также в подъемнике при спуске тяжелого груза, разгоняющего двигатель до скорости, превышающей синхронную; тогда машина начинает отдавать в сеть энергию, сообщаемою ей опускающимся грузом.

Торможение в режиме работы генератором возможно только при сверхсинхронной скорости. Если двигатель в конце торможения должен быть остановлен, то к концу торможении следует перейти на механическое торможение или на другой вид электрического (динамическое, противовключение). Фиксации положения в конце при необходимости производится только с помощью механического тормоза.

При динамическом торможении обмотка статора двигателя отключается от трехфазной сети и включается в сеть постоянного или однофазного переменного токи. При этом возможны различные способы соединения фаз обмотки статора.

Обмотка статора, питаемая постоянным током, создает неподвижное магнитное поле. Аналогично тому, как при нормальной работе двигателя его вращающееся поле увлекает за собой ротор, неподвижное поле при динамическом торможении заставляет ротор быстро останавливаться. Кинетическая энергия вращающихся частей переходит в теплоту, выделяющуюся в цепи ротора за счет токов, индуктированных в ней неподвижным полем статора. Плавность торможения обеспечивается регулированием напряжения на зажимах статора, Тормозной момент двигателя с фазным ротором может регулироваться также реостатом в цепи ротора. Недостатком динамического торможения является необходимость наличия источника постоянного тока с низким напряжением.

Что называется реверсированием двигателя

Реверсированием называют изменение направления вращения ротора двигателя. Как известно, направление вращения ротора зависит от направления вращения магнитного поля статора, поэтому для изменения направления вращения ротора следует изменить последовательность фаз. На практике это достигается переменой местами любых двух фаз. В тех случаях, когда приходится часто реверсировать двигатель (подъемные краны, лебедки, различные станки и т. д.), пользуются перекидными рубильниками или специальными переключателями (рис. 5-17).

Скорость вращения магнитного поля и связанная с ней скорость вращения двигателя зависят от частоты тока f и числа пар полюсов обмотки р. Для плавного изменения скорости вращения принципиально возможно плавное регулирование частоты питающего тока, однако для этого пришлось бы для каждого двигателя иметь отдельный генератор с плавно изменяющейся частотой напряжения на выходе. Изменение скорости вращения ступенями потребовало бы для каждого значения скорости специальной сети с напряжением определенной частоты. Оба названных выше способа не нашли сколько-нибудь широкого практического применения.

На практике для ступенчатого регулирования скорости изменяют число пар полюсов, создаваемых обмоткой статора. Наша промышленность выпускает многоскоростные двигатели на две, три и четыре синхронные скорости, например на 1500—1000— 750—500 об/мин. Такие двигатели из-за сложности обмоток значительно дороже односкоростных Что касается плавного изменения скорости вращения асинхронного двигателя, то сколько-нибудь простых и надежных способов для этого не существует

Максимальная синхронная скорость, которую можно получить при частоте тока 50 Гц, равна 3000 об/мин (двухполюсный двигатель), однако в некоторых отраслях промышленности (деревообрабатывающей, авиационной и др.) желательно иметь скорость двигателей порядка двух-трех десятков тысяч. Для этой цели применяют специальные двигатели повышенной частоты (100—400 Гц) По конструкции они мало отличаются от обычных асинхронных двигателей на 50 Гц, но питаются от специальных генераторов или от преобразователей частоты. В качестве последних часто применяют агрегаты, состоящие из обычного асинхронного двигателя и высокочастотного генератора. Иногда преобразователь делают следующим образом. К обмотке статора асинхронной машины с контактными кольцами подводят напряжение сети, а ротор этой машины вращают другим, например асинхронным, двигателем в сторону, противоположную его номинальному вращению при данной последовательности фаз. В результате такого вращения в обмотке ротора с контактными кольцами будет индуцироваться ЭДС повышенной частоты:

В последние годы с появлением тиристоров получают распространение тиристорные преобразователи частоты.

Реверсирование дизелей, оборудование пускового устройства

Морское судно как и любое транспортное средство, должно иметь как передний, так и задний ход. Изменение направления движения судна достигается изменением упора, создаваемого гребным винтом. Направление упора можно изменить следующими способами:

— устройством между нереверсивным главным двигателем и винтом специальной реверсивной муфты.

— применением электродвижения, когда главные судовые двигатели вращают генераторы, а электрическая энергия поступает на реверсивные гребные электродвигатели.

— применением винтов регулируемого шага (ВРШ). В этом случае можно, не меняя направления вращения коленчатого вала дизеля, изменить направление упора винта разворотом лопастей.

— устройством реверсивного механизма, позволяющего изменять направление вращения коленчатого вала двигателя при прямой передаче крутящего момента на гребной винт. Этот способ получил распространение на установках с мощными малооборотными дизелями. Как правило, механизм реверсирования выполняется вместе с пусковым механизмом и называется реверсивно-пусковым устройством. Время реверсирования и пуска дизеля не должно превышать 15 с.

Сущность реверсирования у всех дизелей сводится к изменению порядка работы распределительных органов дизеля: системы воздухораспределения при пуске двигателя, топливоподачи и газораспределения во время работы. Для некоторых реверсивных дизелей предусматривают также реверсирование навешенных механизмов: шестеренчатых топливоподкачивающих и роторных продувочных насосов.

Существует несколько различных конструкций реверсивно-пусковых устройств судовых дизелей.

Для реверсирования четырехтактных и некоторых двухтактных дизелей распределительные органы имеют по два комплекта кулачных шайб — для переднего и заднего ходов. Подвод кулачных шайб соответствующего хода под ролики толкателей при реверсировании таких дизелей осуществляется аксиальным перемещением распределительных валов. На четырехтактных двигателях старой конструкции все операции по реверсированию осуществлялись вручную: сначала отводились или приподнимались вверх толкатели с роликами, затем перемещался распределительный вал. Для упрощения операции и сокращения времени реверсирования на новых дизелях все кулачные шайбы распределительных органов размещают на одном валу или на смежных, связанных между собой, валах. Аксиальное перемещение вала или валов при этом осуществляется без отвода толкателей, благодаря наличию переходных скосов между кулачными шайбами переднего и заднего ходов и мощного усилителя (сервомотора).

Реверсирование двухтактных дизелей с прямоточно-клапанной продувкой и некоторых дизелей с контурной продувкой («Зульцер», «Фиат») осуществляется разворачиванием распределительного вала относительно коленчатого на угол реверсирования.

Реверсирование некоторых двухтактных дизелей с контурной продувкой осуществляется без перемещения или разворачивания распределительных валов — для привода топливных насосов применяются кулачные шайбы симметричного профиля, обеспечивающие подачу топлива в нужное время при работе двигателя как на передний, так и на задний ход.

На некоторых дизелях возможна комбинация указанных способов. Например, у двигателей фирмы «Бурмейстер и Вайн» вал воздухораспределителя перемещается аксиально с подводом кулачных шайб соответствующего хода, а вал газораспределения и топливных насосов разворачивается относительно коленчатого вала на угол реверсирования (это достигается притормаживанием распределительного вала при пуске дизеля на обратный ход.

Оборудование реверсивно-пускового устройства

К оборудованию реверсивно-пускового устройства относятся: пусковые клапаны цилиндров, главный пусковой (маневровый) клапан, воздухораспределители, система блокировки неправильных и преждевременных пусков, а также блокировка с валоповоротным механизмом и машинным телеграфом. Пусковые клапаны цилиндров бывают трех типов: с механическим приводом, с пневматическим приводом, автоматические.

Пусковые клапаны с механическим приводом имеют привод, подобный приводу впускных и выпускных клапанов четырехтактных дизелей (кулачная шайба, толкатель, штанга, рычаг). Система привода клапанов работает только при пуске дизеля. Пусковые клапаны с механическим приводом из-за сложности системы привода и необходимости отключения его во время работы дизеля на новых дизелях не устанавливают.

Наибольшее распространение на новых дизелях получили клапаны с пневматическим управлением (рис. 81, а). Пусковой клапан 6 размещается в корпусе 1 и удерживается в закрытом положении пружиной 19. Пусковой воздух поступает в полость 7 и воздействует на тарелку 8 клапана и разгрузочный поршень 10 с одинаковым усилием (площади их равны), поэтому клапан остается в закрытом положении до тех пор, пока управляющий воздух не поступит в полость 12. При этом усилие, воздействующее на поршень 11, значительно превышает упругость пружины 20 — пусковой клапан открывается, и пусковой воздух поступает в цилиндр. Закрывается клапан под действием пружины 19 после разгрузки полости 12 от управляющего воздуха. Плотность в полости 7 достигается за счет тщательной притирки тарелки 8 клапана к корпусу 1 и разгрузочного поршня 10 к втулке 5, запрессованной в корпусе клапана 1. Полость 12 уплотняется прокладкой 13, которая устанавливается между корпусом клапана и крышкой 18. Выходное отверстие штока клапана уплотняется сальниковым устройством 16, которое прижимается гайкой 17 и смазывается масленкой 14. Поршни 11 и 10 смазываются из масленок 2, которые при помощи кронштейнов 3 и гаек 4 крепятся к корпусу клапана. Пусковой клапан устанавливается в специальное гнездо в крышке цилиндра и уплотняется прокладкой 9. Шток имеет квадратную головку 15 для периодического проворачивания во время эксплуатации, что предотвращает пригорание клапана к гнезду.

Автоматические пусковые клапаны (рис. 81, б) применяются на быстроходных дизелях небольшой мощности. Пусковой воздух по каналу 3 поступает в полость 2 и, воздействуя на тарелку клапана 19 заставляет его открываться; клапан закрывается после прекращения подачи пускового воздуха под действием пружины 4.

Воздухораспределитель у двигателей с автоматическими пусковыми клапанами получается громоздким, так как через него проходит пусковой воздух (у двигателей с пневматическими пусковыми клапанами через воздухораспределитель пропускается только управляющий воздух).

Главный пусковой (маневровый) клапан предназначен для пропуска пускового воздуха к пусковым клапанам цилиндров во время пуска дизеля и быстрого отключения подачи воздуха после окончания пуска. Главный пусковой клапан устанавливается непосредственно на дизеле и управляется дистанционно.

Конструкция главного пускового клапана с дистанционным пневматическим управлением дизелей типа ДР 30/50 новых моделей показана на рис. 82. Клапан состоит из чугунного корпуса 1 и собственно клапана 2. При открытом запорном вентиле на пусковом баллоне воздух поступает в приемную полость А (по стрелке В) и далее по трубопроводу 8 к посту управления дизелем.

Для пуска дизеля управляющий воздух через специальный клапан поста управления направляют по трубе 5 в полость а. В результате давления воздуха на поршень 4 он преодолевает сопротивление пружины 3 и открывает главный пусковой клапан 2. Пусковой воздух (по стрелке в) поступает к пусковым клапанам цилиндров и в воздухораспределитель.

После окончания пуска дизеля воздух из полости а стравливается в атмосферу пружина 3 «сажает» клапан в гнездо 7, а воздух из системы пуска по трубе б стравливается в ресивер продувочного воздуха.

Дистанционно управляемый маневровый клапан сокращает время пуска дизеля и уменьшает расход пускового воздуха.

На небольших вспомогательных дизелях применяют главные пусковые клапаны с ручным управлением.

Смазка к воздухораспределителю подается от лубрикатора по трубопроводу 14 через штуцер с невозвратным клапаном. Зубчатая рейка 10 входит в зацепление с зубчатым сектором на барабане 7 и служит для реверсирования воздухораспределителя. Перемещение рейки и разворачивание барабана на угол реверсирования осуществляются за счет пружинной связи между постом управления и рейкой, а у дизелей с дистанционным управлением — за счет пневматического сервомотора, смонтированного непосредственно на воздухораспределителе.

Золотниковые воздухораспределители бывают двух типов: с приводом золотников от общей кулачковой шайбы и с индивидуальными кулачными шайбами для каждого золотника. Воздухораспределители первого типа на новых дизелях не встречаются.

Воздухораспределитель золотникового типа (для одного цилиндра) двигателей «Бурмейстер и Вайн» показан на рис. 83, б.

Золотник б, смонтированный в корпусе 1, удерживается в верхнем положении пружиной 2. При пуске дизеля воздух от главного пускового клапана по трубе 3 поступает в полость а, и, действуя на поршенек 8 золотника 6, перемещает его вниз ( если золотник находится против среза кулачной шайбы 5), в результате этого управляющий воздух протекает из полости а в полость б и далее по трубе 7 на управление пусковым клапаном соответствующего цилиндра. Пусковой воздух, попадая в цилиндр через пусковой клапан, разворачивает коленчатый вал и распределительный вал воздухораспределителя, золотник 6 приподнимается вверх, и воздух из поршневого пространства пускового клапана по трубе 7 через полость в и трубу 4 выходит в атмосферу. Каждый цилиндр имеет один золотник и две кулачные шайбы.

Для реверсирования воздухораспределителя вал — с поста управления — перемещается соответственно на передний или задний ход.

Электромобиль: Эффективный под капотом

Электромобиль: Эффективный под капотом

Если это был бы просто вопрос эстетики, то электронный двигатель вряд ли смог бы конкурировать с элегантностью шестицилиндрового двигателя. Поскольку он в основном состоит из компактного корпуса, магнитов, медной проволоки и вала, потенциал для грандиозного зрелища довольно ограничен. Электронные двигатели должны впечатлять своими внутренними ценностями. И у них их предостаточно.

Электродвигатели поражают своей эффективностью. Фото: Shutterstock – герр Лоффлер

“Одним из больших преимуществ электродвигателя является эффективность, с которой он преобразует электроэнергию в мощность механического привода. Особенно в условиях городского движения электродвигатель превосходит двигатель внутреннего сгорания”, — говорит Андреас Рихтер, инженер Центра компетенций DEKRA в области электромобилей. С технологической точки зрения нет причин, по которым вы не должны использовать электромобиль, чтобы, например, забрать булочки в пекарне. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, у электромобиля нет проблем с холодным запуском и износом. Как объясняет Андреас Рихтер, двигатели электромобилей обладают очень высокой степенью эффективности, которая может превышать 90 процентов. Большая часть этой энергии используется для движения. Баланс для двигателей внутреннего сгорания намного хуже – в городе КПД может составлять менее десяти процентов, в то время как при средних и высоких нагрузках он достигает КПД в диапазоне от 25 до 40 процентов. Остальная энергия теряется в виде неиспользованного тепла.

Будь то электромобиль или стиральная машина – базовая конструкция двигателя одна и та же

Электродвигатели — это технология, которая была опробована и испытана в широком спектре применений в течение многих десятилетий. Поэтому базовая конструкция двигателя в электромобиле практически ничем не отличается от конструкции стиральной машины. В большинстве случаев используются двигатели переменного тока (AC), или, точнее, трехфазные двигатели. Это означает, что переменный ток поступает в корпус двигателя через три отдельных проводника (фазы). Внутри находятся два ключевых элемента привода, которые за счет взаимодействия электрических и магнитных сил преобразуют энергию, поступающую от батареи, в механическую энергию для приведения автомобиля в движение. Статор является неподвижной частью внутри корпуса и отвечает за мощность и эффективность. Ротор, в свою очередь, вращается внутри цилиндрического статора и прочно соединен со стальным валом для передачи энергии. Взаимодействие между ними начинается с момента запуска транспортного средства.

Взаимодействие магнитных сил заставляет вал двигателя вращаться

Во время электрической работы переменный ток поступает на катушки статора через клеммы на корпусе двигателя. Затем катушки непрерывно генерируют магнитное поле с короткими периодическими интервалами. Однако магнитные поля на различных катушках всегда генерируются с временным смещением друг от друга – это создает так называемое вращающееся поле внутри статора. Но как происходит вращательное движение ротора? Это зависит от конструкции электродвигателя.

В синхронных двигателях роторы генерируют собственное магнитное поле. Используются магниты с постоянным магнитным полем – это называется синхронным двигателем с постоянными магнитами (PSM). Однако ротор также можно превратить в электромагнит с помощью постоянного тока – тогда система называется синхронным двигателем постоянного тока (FSM). В обоих случаях магнитные поля статора и ротора взаимодействуют путем притяжения и отталкивания их полюсов. Это приводит к вращательному движению, при котором ротор вращается синхронно с электромагнитным полем статора.

В асинхронных двигателях применяется другой принцип. Здесь ротор обычно не имеет ни магнитов, ни собственного источника питания. Вместо этого электромагнитное поле статора индуцирует ток в проводниках ротора, которые затем создают магнитное поле. В этой системе ротор всегда вращается немного медленнее, чем меняется электромагнитное поле статора – отсюда и название «асинхронный» двигатель. Эта конструкция считается особенно прочной и отличается высокой стабильностью на высоких скоростях. Синхронные двигатели, с другой стороны, обладают преимуществами с точки зрения плотности мощности и эффективности.

Силовая электроника берет на себя управление электропитанием

Одна из задач разработчиков двигателей состоит в том, чтобы подобрать автомобиль и силовой агрегат к желаемому профилю вождения. Это может быть проще для компактного автомобиля, чем для внедорожника с гораздо более широким использованием. Однако в обоих случаях силовая электроника является ключевым игроком в концепции привода автомобиля. Помимо прочего, электроника отвечает за управление питанием двигателя. Например, если автомобиль должен ускориться, силовая электроника определяет, сколько дополнительной энергии требуется, исходя из положения педали акселератора. Поскольку батарея отдает только постоянный ток, электроника должна обеспечивать ток в правильной форме, силе и частоте. С другой стороны, в случае рекуперации она берет на себя задачу преобразования энергии торможения в электрическую энергию постоянного тока и подачи ее в аккумулятор. Кроме того, силовая электроника постоянно следит за частотой вращения и мощностью двигателя. Она знает состояние аккумуляторных батарей и взаимодействует с зарядными станциями во время зарядки.

Полезно знать: Электрические двигатели также могут работать в режиме генератора. В этом случае они преобразуют механическую энергию в электрическую во время замедления, тем самым заряжая аккумулятор. Эта так называемая рекуперация увеличивает запас хода электромобиля. Это особенно эффективно там, где торможение требуется чаще – например, на трассах с уклоном вниз или в городском движении с часто меняющимися скоростями. По оценкам эксперта DEKRA Андреаса Рихтера, опытные водители могут увеличить запас хода на 20 процентов, умело используя рекуперацию.

Производительность электродвигателя становится очевидной на дороге

Люди, которые используют электронный автомобиль в качестве второго автомобиля или чисто городского транспортного средства, могут довольствоваться меньшей мощностью. Даже при номинально слабом двигателе быстрая езда в городском движении вполне возможна. “Это связано с тем, что максимальный доступный крутящий момент электродвигателя почти полностью доступен при разгоне с места”, — говорит Андреас Рихтер. Однако на проселочных дорогах или шоссе крутящий момент слабого двигателя рано или поздно иссякает. Затем двигатель вырабатывает свой максимальный крутящий момент в доступном диапазоне оборотов – но только до тех пор, пока не достигнул максимальной мощности. В этот момент ускорение значительно уменьшается. Однако тем людям, которым нужна мощность, которые ценят максимально высокие скорости или динамичный спринт при обгоне, нужно электродвигатели более высокой мощности. Если бы существовала забавная формула для электромобиля, она звучала бы так: “Мощность можно заменить только еще большей мощностью”.

Полезно знать: Эффективная работа двигателя при любом вождении. Теоретически электродвигатель также может продемонстрировать свою полную работоспособность при реверсировании или рекуперации. Однако, как объясняет эксперт DEKRA Рихтер, производители проектируют электродвигатели таким образом, чтобы было возможно безопасное вождение с минимальным износом. По этой причине мощность электродвигателя обычно значительно снижается сразу же при реверсировании и рекуперации. Энергоэффективного использования электродвигателя также легко добиться на шоссе. Все, что нужно, – это снизить скорость — это уменьшает сопротивление воздуха, которое увеличивается со скоростью.

Трансмиссия является важным элементом в силовой установке

Чтобы механическая мощность наилучшим образом достигала колес, трансмиссия работает в качестве третьего элементы, наряду с двигателем и силовой электроникой. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, для постоянного поддержания крутящего момента и мощности в оптимальном диапазоне скоростей нет необходимости в переключении передач, поскольку электродвигатели обеспечивают свою мощность в широком диапазоне скоростей. Тем не менее, у электромобилей также есть трансмиссия. Это связано с тем, что вал ротора может вращаться с чрезвычайно высокими скоростями. Однако приводной вал для передачи механической энергии на колеса должен вращаться гораздо медленнее. Для достижения этой цели автопроизводители обычно полагаются на одноступенчатую трансмиссию, которая снижает скорость. Однако в конструкции трансмиссии есть свобода действий. Porsche Taycan, например, оснащен двухскоростной коробкой передач, которая обеспечивает максимальное ускорение и высокие максимальные скорости. Высокопроизводительные седаны также могли бы воспользоваться двухскоростной коробкой передач. Автомобильный поставщик ZF считает, что это может повысить эффективность электропривода на пять процентов. На практике это означало бы увеличение запаса хода. Но как насчет передачи заднего хода электропривода? Инженеры обходятся без этого. В конце концов, достаточно просто изменить направление вращения электродвигателя, чтобы электромобиль поехал назад.

Полезно знать: трансмиссия становится все более важной в электронном автомобиле. Volkswagen оснащает ID3 одноступенчатой коробкой передач. Поскольку электромобиль развивает максимальную скорость 160 километров в час при максимальной скорости 16 000 оборотов в минуту, потребовалось решение для достижения передаточного отношения к медленной скорости для оборотов приводного вала. Чтобы сэкономить место для установки, инженеры используют две шестерни меньшего размера вместо одного большого зубчатого колеса, которые выполняют функцию промежуточного передаточного числа. Поставщики автомобилей также разрабатывают свои собственные разработки. Например, Bosch только что объединила усилия с Технологическим университетом Эйндховена для разработки автоматической коробки передач, которая непрерывно регулирует скорость и крутящий момент электронного двигателя в соответствии со скоростью автомобиля.