Электродвигатель – устройство, которое занимается преобразованием электроэнергии в механическую. Он работает, используя принцип электромагнитной индукции.В последнее время он все сильнее популяризируется на автомобильном рынке в качестве перспективного направления развития автопромышленности. Поэтому есть смысл подробнее ознакомиться с устройством электромобиля, его двигателя, за которым может быть будущее отрасли.
Принцип работы и устройство
Электродвигатель включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.
Благодаря развитию технологии электродвигатели нашли применение в разных отраслях, например, автомобилестроении. Причем они способны использоваться либо отдельно, либо совместно с (ДВС). Последний вариант – гибридные авто.
От электродвигателей, применяемых на производствах, агрегат для авто отличается малыми габаритами, но повышенной мощностью. К тому же современные разработки все больше отдаляют двигатели для автомобилей от иных подобных устройств. Характеристиками электромобилей являются не только показатели мощности, крутящего момента, но и частота вращения, ток и напряжение. Поскольку от этих данных зависит передвижение и обслуживание авто.
Виды
Чтобы лучше разобраться в многообразии, которое нам дарит авторынок, стоит рассмотреть существующие виды электродвигателей для электромобилей.
Их можно условно классифицировать по типу тока:
- устройства переменного тока;
- конструкции постоянного тока;
- решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока).
Электромобили двигаются под действием электричества, которое первоначально попадает к ним из обычной домашней электросети и запасается в автомобильных перезаряжаемых аккумуляторах.
Такому автомобилю не нужна коробка передач, применяемая в двигателях внутреннего сгорания. Потому что вал электродвигателя здесь присоединен прямо к колесу. Электричество питает мотор, и мотор крутит колесо, которое двигает машину. Сейчас сделаны опытные электромобили с одноразовым запасом энергии на борту, достаточным для 130-мильного пробега. Эти автомобили намного меньше загрязняют окружающую среду и работают значительно тише, чем автомобили, "кушающие" бензин. Пожалуй, главным недостатком электромобиля является то, что ему требуется шесть часов на полную зарядку аккумуляторов.
Автомобиль с автоматической коробкой передач
Если взглянуть на приборную панель электромобиля (рисунок выше), то видно, как просто сделан рычаг управления передачами, - по той причине, что в машине нет коробки передач. Все, что должны показывать приборы на панели, это число оборотов в минуту двигателя, скорость автомобиля и уровень зарядки электрической батареи.
Каким образом электрическая энергия вращает колеса
Принципиальная схема электромобиля
Электромобиль движется под действием электрической энергии, которую он первоначально запасает в своих аккумуляторах (рисунок ниже). При движении автомобиля электрическая энергия приходит на электромагнитный разъем. Оттуда под управлением водителя и сигналов от датчиков энергия поступает на электродвигатели, которые крутят колеса и заставляют автомобиль двигаться.
Подзарядка "севших" аккумуляторов электромобиля
Схема заряда аккумуляторов электромобиля
Электро-зарядное устройство автомобиля нужно для того, чтобы бортовые аккумуляторы накопили новую электрическую энергию взамен истраченной на движение автомобиля. Устройство получает энергию для зарядки через обычную электро-розетку, какие стоят в жилых домах.
Энергия передается прямо на колеса
Мощный постоянный магнит, находящийся внутри электродвигателя, позволяет вращать колесо без ведущего вала и шестеренок, применяемых в обычных автомобилях. Поэтому в электромобиле нет дифференциала, передаточных устройств с шестеренками и коробки передач. Энергия там идет от электродвигателя прямо на колеса.
В модели электромобиля "Дестини 2000" (Destiny 2000 ) сочетается применение солнечных панелей и аккумуляторов с кузовом из стекловолокна.
Содержание:Довольно часто возникает ситуация, когда место для строительства частного дома во всех отношениях просто идеальное, но в то же время отсутствует возможность подключения к централизованным . Особенную остроту приобретает вопрос обеспечения электричеством, без которого невозможно нормальное функционирование современных объектов. Поэтому наилучшим выходом из такого положения будут автономные системы электроснабжения, обеспечивающие полную независимость от центральных электрических сетей, без какого-либо ущерба для экологии.
Использование автономных систем обойдется значительно дешевле, чем прокладка новой линии электропередачи, требующая значительных материальных затрат. Автономный источник питания находится в полной собственности хозяина дома. При регулярном техническом обслуживании он сможет эксплуатироваться в течение длительного времени.
Автономные системы электроснабжения частного дома
Автономные инженерные сети широко используются в частных домах. Собственное водоснабжение, канализация и система отопления дают полную независимость от местных коммунальных служб. Гораздо сложнее решается вопрос обеспечения электричеством, однако при правильном подходе с использованием альтернативных источников питания, эта проблема сравнительно легко преодолевается. Существует несколько вариантов автономного электроснабжения, каждый из которых является наиболее подходящим для конкретных условий эксплуатации, в том числе и солнечные системы электроснабжения.
Все автономные системы имеют единый принцип работы, но отличаются первоначальными источниками электроэнергии. При их выборе учитываются различные факторы, в том числе и расходы на эксплуатацию. Например, бензиновые или дизельные генераторы постоянно требуют топливо. Другие же, условно относящиеся к так называемым вечным двигателям, не нуждаются в энергоносителях, а, наоборот, сами способны вырабатывать электричество за счет преобразования энергии солнца и ветра.
Все автономные источники электроснабжения по большому счету похожи друг на друга своим общим устройством и принципом действия. В состав каждой из них входят три основные узла:
- Преобразователь энергии. Представлен солнечными панелями или , где энергия солнца и ветра преобразуется в электрический ток. Их эффективность во многом зависит от природных условий и погоды в данной местности - от солнечной активности, силы и направления ветра.
- Аккумуляторы. Представляют собой электрические емкости, накапливающие электричество, активно вырабатываемое при оптимальной погоде. Чем больше имеется аккумуляторов, тем дольше сможет расходоваться запасенная энергия. Для расчетов используется среднесуточное потребление электричества.
- Контроллер. Выполняет управляющую функцию по распределению потоков выработанной энергии. В основном эти устройства контролируют состояние аккумуляторных батарей. Когда они полностью заряжены, вся энергия уходит напрямую потребителям. Если же контроллер обнаруживает разрядку батареи, то энергия перераспределяется: она частично уходит потребителю, а другая часть затрачивается на зарядку батареи.
- Инвертор. Устройство для преобразования постоянного тока 12 или 24 вольта в стандартное напряжение 220 В. Инверторы имеют различную мощность, для которой берется суммарная мощность одновременно работающих потребителей. При расчетах необходимо давать определенный запас, поскольку работа оборудования на пределе возможностей приводит к его быстрому выходу из строя.
Существует различное автономное электроснабжение загородного дома, готовые решения которого дополняются различными элементами в виде соединительных кабелей, балластов для сброса лишнего электричества и прочими составными частями. Для правильного выбора агрегата следует более подробно ознакомиться с каждым типом альтернативных источников питания.
Генераторы и мини-электростанции
Генераторные установки и мини-электростанции широко используются и обеспечивают автономное электроснабжение дома, особенно там, где совсем нет централизованных электрических сетей. При условии правильного выбора агрегата, на выходе получается напряжение, способное полностью обеспечить объект электроэнергией. Основным фактором нормальной работы оборудования, является его соответствие электрическим параметрам подключаемых потребителей.
Как правило автономные электростанции выполняют две основные функции. Они служат источником резервного питания на период отключения электроэнергии или снабжают объект электричеством на постоянной основе. Во многих случаях эти устройства обеспечивают подачу напряжения более высокого качества, чем в центральной сети. Это очень важно при использовании высокочувствительной техники, например, газовых отопительных котлов, медицинского оборудования и другой аппаратуры.
Большое значение имеет мощность генераторов, их производительность и возможность продолжительной работы без отключения. Техника с малой мощностью относится к категории электрогенераторов, а более сложные и мощные конструкции считаются уже мини-электростанциями. К устройствам малой мощности относятся генераторы способные выдерживать нагрузку, не превышающую 10 кВт.
Существуют различные типы генераторов, в зависимости от применяемого топлива.
- Бензиновые. Чаще всего используются в качестве резервного источника питания в связи с высокой стоимостью топлива и сравнительно дорогим техническим обслуживанием. Стоимость бензиновых агрегатов значительно ниже других аналогов, что делает их экономически выгодными именно в качестве резервного источника на период отключения основной электроэнергии.
- Дизельные. Обладают значительным моторесурсом, гораздо выше, чем у бензиновых аналогов. Такое оборудование может работать дольше, даже при больших нагрузках. Несмотря на их высокую стоимость, дизельные генераторы пользуются повышенным спросом из-за дешевого топлива и недорогого технического обслуживания.
- Газовые. Надежность и эффективность этих агрегатов вполне может сравниться с бензиновыми и дизельными генераторами. Основным достоинством является их низкая цена и экологическая чистота в процессе эксплуатации.
Каждый агрегат состоит из двигателя и самого генератора. Для более удобной работы все устройства оборудуются замком зажигания, стартером и аккумулятором, розетками для подключения потребителей, измерительными приборами, топливным баком, воздушным фильтром и другими элементами.
Аккумуляторы и источники бесперебойного питания
Одним из вариантов на период отключения электричества в загородном доме являются источники бесперебойного питания. Их применение позволяет решить множество проблем, особенно при кратковременных отключениях электроэнергии. Регулировка питания осуществляется с помощью инвертора и стабилизатора. Использование бесперебойников позволяет сохранить важную информацию на компьютере, которая может быть уничтожена при неожиданном отключении электроэнергии.
В состав входит схема управления и инвертор, являющийся по сути, зарядным устройством. От его мощности зависит время переключения и обеспечение бесперебойного поступления электроэнергии к потребителю. За счет этого обеспечивается автономное электроснабжение загородного дома.
Особая роль отводится стабилизатору, основная функция которого заключается в увеличении или снижении подачи тока, поступающего из основной сети. Поэтому при выборе источника бесперебойного питания следует обязательно учитывать технические характеристики инвертора и стабилизатора. Стандартные устройства оборудуются стабилизатором, способным лишь понижать напряжение.
К положительным качествам ИБП можно отнести их сравнительно невысокую стоимость. Они работают бесшумно и не подвержены нагреву за счет высокого КПД, составляющего 99%. Основным недостатком считается продолжительное переключение на собственное питание. Отсутствует возможность ручной настройки величины напряжения и частоты подачи энергии. Во время работы аккумулятора выход напряжения будет иметь несинусоидальную форму.
Источники бесперебойного питания хорошо зарекомендовали себя совместно с компьютерами и локальными сетями, эффективно поддерживая их работоспособность. Они оказались наиболее оптимальным вариантом для использования именно в этой области.
Электроснабжение частного дома солнечными батареями
В частных и загородных домах все более широкое распространение получают солнечные батареи, используемые в качестве основных или резервных источников питания. Основной функцией этих устройств является преобразование солнечной энергии в электрическую.
Существуют различные способы применения постоянного тока, вырабатываемого солнечными батареями. Он может использоваться напрямую, сразу же после выработки или накапливаться в аккумуляторных батареях и расходоваться по мере необходимости в темное время суток. Кроме того, постоянный ток с помощью инвертора может быть преобразован в переменный ток, напряжением 110, 220 и 380 вольт и применяться для различных групп и типов потребителей.
Вся автономная система электроснабжения на солнечных батареях функционирует по определенной схеме. На протяжении светового дня они производят электроэнергию, которая затем подается к контроллеру заряда. Основной функцией контроллера является управление зарядом аккумуляторов. Если их емкость заполнена на 100%, то подача заряда от солнечных батарей прекращается. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный с заданными параметрами. При включении потребителей, этот прибор забирает энергию из аккумуляторов, преобразует ее и направляет в сеть к потребителям.
Солнечная энергия, в зависимости от времен года, не бывает постоянной и не всегда рассматривается в качестве основного источника. Кроме того, объем электроэнергии, потребляемой ежесуточно, тоже изменяется в разные стороны. Поэтому при наступлении полного разряда аккумуляторов, происходит автоматическое переключение системы домашнего электроснабжения с солнечных батарей на другие резервные источники питания или на центральную электрическую сеть.
Солнечные батареи делают хозяев дома абсолютно независимыми от центрального электроснабжения. В этом случае не требуется подводка электрических сетей, исключаются дополнительные траты на оформление разрешительных документов и оплату электроэнергии. Данная система не зависит от перебоев централизованной подачи электричества, на нее не влияет рост тарифов, отсутствуют ограничения в подключении дополнительных мощностей.
Солнечные батареи могут эксплуатироваться в течение длительного периода времени, составляющего 20-50 лет. Серьезные финансовые вложения делаются только один раз, после чего система будет работать и постепенно окупать себя. Вся работа батарей осуществляется на полном автомате. Существенным плюсом является полная безопасность солнечной энергии для человека и окружающей среды. Для получения нужного экономического результата следует правильно выбирать оборудование, монтировать и вводить его в эксплуатацию.
Ветрогенераторные установки
Энергия ветра используется с давних пор. Наглядным примером являются парусные корабли и ветряные мельницы, оставшиеся далеко в прошлом. В настоящее время ветровая энергия стала вновь использоваться для совершения полезной работы.
Типичным представителем этих устройств считается ветрогенератор. Принцип работы агрегата основа на вращении воздушным потоком лопастей ротора, закрепленного на валу генератора. В результате вращения в обмотках генератора создается переменный ток. Он может расходоваться напрямую или накапливаться в аккумуляторах и использоваться в дальнейшем по мере необходимости. Таким образом, обеспечивается автономное электроснабжение объекта.
Кроме генератора, в рабочей цепи имеется контроллер, выполняющий функцию преобразования трехфазного переменного тока в постоянный. Преобразованный ток направляется на зарядку аккумуляторов. Бытовые приборы не могут работать от постоянного тока, поэтому для его дальнейшего преобразования используется инвертор. С его помощью происходит обратное превращение постоянного тока в переменный бытовой ток на 220 вольт. В результате всех преобразований расходуется примерно 15-20% от первоначально выработанной электроэнергии.
Совместно с ветровыми установками могут использоваться солнечные батареи, а также бензиновые или дизельные генераторы. В этих случаях в схему дополнительно включается автоматический ввод резерва (АВР), который производит активацию резервного источника тока, если основной отключается.
Для того чтобы получить максимальную мощность, расположение ветряного генератора должно быть вдоль по направлению ветрового потока. Наиболее простые системы оборудуются специальными флюгерами, закрепляемыми на противоположном конце генератора. Флюгер представляет собой вертикальную лопасть, которая разворачивает все устройство навстречу ветру. В более сложных и мощных установках эта функция выполняется поворотным электромотором, под управлением датчика направления.
Появление силовых транзисторов на токи порядка десятков и сотен ампер способствовало разработке ряда вариантов тяговых электроприводов с транзисторными силовыми преобразователями в цепи якоря двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Типичными для этого направления являются работы французской фирмы «Рагоно» и американских - «Дженерал Электрик» и «Крайслер».
Фирмой «Рагоно» создан электропривод для й полной массой около 1200 кг, причем в качестве опытных образцов использовались конвертированные автомобили «Рено 5Л (Reno-ult 5L»). Привод осуществляется от двигателя номинальной мощностью 6 кВт при номинальной частоте вращения 5000 мин-1 и напряжении 96 В. В схеме электропривода предусмотрено два транзисторных импульсных преобразователя. Силовой преобразователь в цепи якоря состоит из параллельного соединения 11 групп по три транзистора в каждой. При номинальном токе якоря двигателя 75 А и кратности максимального тока около 4 А максимальная токовая нагрузка на транзистор не превышает 10 А. Каждая группа транзисторов снабжена защитной индуктивностью и обратным диодом. Силовой преобразователь работает с постоянной частотой коммутации 700 Гц и обеспечивает изменение относительной длительности импульсов выходного напряжения от 0,05 до 1. Регулирование скорости по возбуждению осуществляется до максимальной частоты вращения 7000 мин-1 с помощью транзисторного преобразователя, рассчитанного на изменение тока возбуждения от 2 до 8 А при постоянной частоте коммутации 1000 Гц.
Рис. 3.5. Схема электропривода электромобиля ETV-1 с транзисторным преобразователем фирмы «Дженерал электрик»
Принципиальная схема электропривода, разработанного фирмой «Дженерал Электрик» для экспериментального электромобиля ETV-1 фирмы «Крайслер», показана на рис. 3.5. По общей структуре этот электропривод близок к варианту двухзонного регулирования, приведенному на рис. 3.3. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения М питается от тяговой батареи GB через силовой преобразователь цепи якоря. Обмотка возбуждения ОВ получает питание через преобразователь возбуждения ПВ.
Главной отличительной особенностью является использование мощных силовых транзисторов. Фирмой было предварительно проведено исследование ряда вариантов транзисторных преобразователей с использованием силовых транзисторов различных фирм 2SD648 фирмы «Тосиба» (Toshiba) на 200 А, 300 В; RSD-751 фирмы EVC на 100 А, 450 В и ряда других; после этого был разработан собственный силовой модуль (Ml-МЗ на рис. 3.5). Этот модуль представляет сборку из двух транзисторов по схеме Дарлингтона и шунтирующего обратного диода.
Параметры силового транзистора по схеме Дарлингтона:
Напряжение коллектор-эмиттер 350В
Напряжение насыщения при токе 200 А 1.6В
Номинальный ток 200 А
Коэффициент усиления по постоянному току при номинальном токе коллектора 250
Время спада тока коллектора 1,2 мкс
Время задержки 2,6 мкс
Два модуля Ml и М2 (рис. 3.5) соединены параллельно, и через них осуществляется импульсное питание якоря двигателя в режиме тяги. При этом в режиме разгона с максимальным ускорением ток достигает 400 А, причем допускаемая силовым преобразователем длительность такого тока составляет 1 мин. Для длительного режима номинальный ток преобразователя составляет 200 А, что согласовано с характеристиками применяемого электродвигателя, имеющего номинальный длительный ток 175 А.
В режиме электрического импульсного торможения якорь двигателя М замыкается транзисторным модулем МЗ, что позволяет иметь максимальный ток якоря при торможении 200 А в течение 1 мин и 100 А длительно. При периодическом замыкании цепи якоря происходит накопление электромагнитной энергии в индуктивностях якоря и добавочных полюсов двигателя, которая затем сбрасывается в аккумуляторную батарею GB по цепям обратных диодов силового преобразователя.
Индуктивность LI предназначена для защиты транзисторных модулей от перенапряжений при коммутации аппаратов в электроприводе. Сброс накопленной в этой индуктивности энергии при отключении цепи под током обеспечивает параллельная защитная цепь из вентиля VI и.резистора. Защита транзисторных модулей от недопустимых режимов при включении и выключении транзисторов производится специальными защитными цепями из конденсаторов CI, С2, вентиля V2 и резисторов Rl, R2. Кроме того, от перенапряжений цепи коллектор-эмиттер защищены диодами Зенера Z1 и Z2.
Транзисторный силовой преобразователь работает при сравнительно высокой частоте переключений. Эта частота непостоянная, а изменяется при изменении скважности, достигая максимальной величины 2000 Гц. Для компенсации индуктивного сопротивления аккумуляторной батареи и проводов монтажа вход силового преобразователя шунтирован батареей конденсаторов Ф суммарной емкостью 1200 мкФ.
Преобразователь возбуждения ПВ осуществляет регулирование тока возбуждения в пределах от 2,0 до 10,6 А при постоянной частоте коммутации выходного транзистора, равной 9500 Гц. Вентили КЗ-V5 служат для защиты выходного транзистора. Вместе с тем некоторые схемные особенности преобразователя ПВ определяются тем, что в электромобиле ETV-1 этот преобразователь выполняет вторую функцию - бортового зарядного выпрямителя. В этом режиме напряжение однофазной сети 115 В подается через мостовой однофазный выпрямитель (на схеме рис. 3.5 не показан) в точки а - плюсом и b - минусом. В цепи заряда тяговой батареи оказывается при этом включенной индуктивность L2, сглаживающая ток заряда батареи. В этом режиме преобразователь ПВ работает с переменной частотой коммутации 5-15 кГц и при регулируемом токе заряда от 2 до 24 А.
Реверсирование электродвигателя производится переключением полярности обмотки возбуждения ОВ с помощью контакторов ВиН.
Управление электроприводом предусматривается с помощью микропроцессора МП по структуре, показанной на рис. 3.5. Педали хода и торможения связаны с задающими потенциометрами, которые определяют сигналы управления тяговым и тормозным моментом. Магнитные датчики тока якоря двигателя ТЯ, тока возбуждения ТВ и тока батареи ТБ совместно с сигналами по напряжению батареи и частоте вращения двигателя ДС участвуют в процессе вычисления момента на валу. Через устройства интерфейса УВ и УТ микропроцессор управляет работой преобразователей питания якоря и возбуждения ПВ в соответствии с заданным тяговым или тормозным моментом. Так как при форсировке тока возбуждения двигателя до 10,6 А частота вращения двигателя составляет 1800 мин-1, то работа преобразователя питания якоря происходит в зоне от этой скорости и почти до нуля. При частоте вращения от 1800 до 5000 мин-1 силовой преобразователь питания якоря находится в режиме насыщения и, кроме того, шунтируется контактором КШ. По этой шунтирующей преобразователь цепи осуществляется и режим генераторного торможения на больших частотах вращения.
Современные конструкции электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением, регулируемым в достаточно широких пределах, создают основу для построения тяговых электроприводов, не имеющих импульсных преобразователей со сложными устройствами принудительной коммутации тиристоров в якорной цепи двигателя. Такие электроприводы разработаны в СССР лабораторией НАМИ, а за рубежом - рядом японских фирм.
