Что такое высокопроизводительный двигатель
Самые большие двигатели. Топ-10
Какой самый большой двигатель в мире.
Самым большим двигателем в мире считается мотор Wärtsilä-Sulzer RTA96 Финской компании, который производится и выпускается для крупнейших в мире морских судов. Дорогие читатели, предлагаем Вам ознакомиться с подборкой «ТОП-10» самых больших двигателей на планете.
Двигатель, если сказать точнее, то это машина по сжиганию топлива созданная человеком для производства движущий силы. Такой агрегат (двигатель) преобразует энергию топлива в полезное механическое движение. Есть много типов двигателей в мире, но самые большие используются и применяются именно в морском судоходстве. Поэтому друзья наша сегодняшняя подборка 10 (десяти) самых крупных двигателей в мире начинается именно с самого большого силового агрегата на планете, с двигателя Wärtsilä-Sulzer RTA96 мощностью в 107.389 тыс. л.с.
Но такие мощные и большие двигатели используются сегодня не только в судостроительной промышленности, но и в других отраслях промышленности, в таких например, как электроэнергетика, космическая отрасль, авиация, ну и в других т.п. отраслях производства.
Но вот что интересно, на самом деле, чтобы ответить на вопрос «какие самые большие двигатели в мире» необходимо заранее понимать, что для какой-то определенной и конкретной техники и производства даже небольшой размер мотора может оказаться самым большим в мире, хотя по мощности он не будет являться самым сильным на планете. Вот например, тот же двигатель для мотоцикла объемом 2,6 литра может считаться также самым большим в мире. Или вот, двигатель для легкового автомобиля объемом в 9 литров, тоже может считаться самым большим и сильным.
Так что господа, к этому надо подходить индивидуально, смотря с какой стороны оценивать силовые агрегаты чтобы определить для себя, какой мотор самый крупный и сильный в мире.
Ознакомьтесь пожалуйста с нашей подборкой «Самых больших двигателей в мире».
1) Самый большой двигатель для морских судов в мире- Wärtsilä-Sulzer RTA96
Размеры: Объем – 25.480 тыс. л., Длина двг. – 26,59 м., Высота двг. — 13,5 м., Вес двг.– 2300 тыс. тонн.
Мощность: 107.389 тыс. л.с.
Это самый большой двигатель в мире когда-либо построенный человеком. Его вес составляет 2,3 млн. килограммов (2300 тыс. тонн). Длина двигателя 89 футов (26,59 метров), высота 44 фута (13,5 метров).
Двигатели выпускаются с 6 и до 14 цилиндров. Это турбированный двухтактный дизельный агрегат работающий на мазуте. Объем 14-ти цилиндрованного мотора составляет 25.480 тыс. литров. Мощность- 107.389 тыс. л.с.
Расход топлива у него составляет 13.000 тыс. литров в час (39 баррелей нефти в час!). Сила крутящего момента равна 7.603.850 млн. Н.м. при 102 об/мин. Коленчатый вал у него весит 300 тонн.
2) Самый большой автомобильный двигатель в мире за всю историю легковых автомобилей.
Какой объем: 28,2 л.
Мощность: 300 л.с.
На Автомобиль марки Fiat Blitzen Benz, произведенный в1911 году, был установлен самый большой 4-х цилиндрованный двигателем в мире. Объем этого силового агрегата составлял 28,2 литра. Мощность- 300 л.с. Автомобиль был специально построен для автогонок. Всего было построено и выпущено 2 (два) таких автомобиля и именно с таким большим мотором. Первый автомобиль был куплен (приобретен) Российским князем Борисом Сухановым. После Революции автомобиль попал в Австралию. В 1924 году эта машина попала в серьезную аварию, где и была повреждена без возможности дальнейшего восстановления. Ну а второй такой же автомобиль сохранился в собственности компании «Фиат». В 1920 году этот автомобиль был переделан, на него установили другой силовой агрегат и меньшего объема.
3) Самый крупный ракетный двигатель SaturnV
Размер и объем: Высота двг.- 5,64 м., Высота двг. в ракетоносители – 110,65 м. (выше статуи Свободы в США).
Мощность: 190.000.000 млн. л.с.
Если вам вдруг понадобится отправиться на Луну, то этот Американский однокамерный двигатель будет самым подходящим для такого путешествия. Это самый большой силовой агрегат в мире когда-либо созданный человечеством.
Тяга его силы на старте составляет (составляла) 34.500.000 млн. Н.м.. а мощность 190.000.000 млн. л.с. Двигатель производил столько энергии, которой хватило бы на освещение всего Нью-Йорка в течении 75 минут. Эта сила способна отправить на орбиту 130.000 тыс. кг груза. Этот двигатель при полете ракеты на лунную орбиту расходовал столько количества топлива, сколько бы хватило обычному автомобилю объехать весь наш земной шар аж 800 раз!
4) Самый большой промышленный газотурбинный двигатель 1750 MWe ARABELLE
Размеры: Вам понадобится целая атомная электростанция, чтобы его установить.
Мощность: 2.346.788 млн. л.с.
Это самый крупный турбогенератор в мире, который преобразует влажный пар от атомного реактора непосредственно в электроэнергию (находится во Франции). Мощность производимой им энергии составляет 2.346.788 млн. лошадиных сил. Его роторные диски внутри турбогенератора весят аж 120 тонн.
5) Самый мощный двигатель на железнодорожном локомотиве
Размеры: Длина- 25,5 м.
Мощность: от 4.500 — до 8.000 тыс. л.с.
«Union Pacific» в 1955 году создали самый мощный ж/д Локомотив в мире. Совокупная мощность турбированных двигателей локомотива составила 8.500 тыс. л.с., (этот рекорд для ж/д локомотивов до сих пор не побит). В локомотиве имеются 10 камер сгорания. Вес составляет 410.000 тыс. килограммов. Бак для топлива равен 9.500 тыс. литров. Локомотив был способен перевозить грузы до 12.000 тыс. тонн.
6) Самый большой по длине паровоз с паровым двигателем Big Boy
Размеры: Длина- 26,1 м.
Мощность: Сила тяги- 15.290 тыс. Н.м.
Union Pacific Railroad 4000 (четырехтысячного) класса. Он был построен в период с 1941 по 1944 годы. В 1959 году он совершил свою последнюю поездку, случилось это в связи с вытеснением паровозов дизельными локомотивами. Сила тяги паровозного агрегата 15.290 тыс. Н.м. Максимальная скорость 100 км/час. Пик мощности приходится на скорость 56 км/час. Максимальная тяга достигается на скорости не более 16 км/час.
7) Самый большой в мире ветряной ротор Siemens SWT-6.0-154
Размер: 154 метров в диаметре.
Мощность: 8.046 тыс. л.с.
Диаметр ротора- 154 метра. Число оборотов- до 12 об. в минуту. Мощность производимой энергии составляет- 6.500 тыс. кВт, что соответствует примерно 8.046 тыс. лошадиным силам. Это самый большой роторный ветряной генератор в мире.
8) Самый большой поршневой авиационный двигатель Lycoming XR-7755
Насколько большой: Объем – 127 литров. Вес – 2.740 тыс. кг.
Мощность: 5.000 тыс. л.с.
Всего в мире было произведено 2 (два) таких 36-ти цилиндрованных двигателя, которые до сих пор являются самыми большими на планете моторами для самолетов когда-либо созданных человеком. Двигатель специально был построен для бомбардировщика Convair B-36.
Объем двигателя у него составлял 127 литров. Мощность- 5.000 тыс. лошадиных сил при 2.600 тыс. об. в минуту. Вес двигателя – 2.740 тыс. кг. Впрыск топлива осуществлялся через карбюратор. Длина двигателя чуть больше 3 метров. Диаметр- 1,5 метра.
9) Самый большой и мощный автомобильный двигатель в мире, который был установлен на легковом автомобиле
SRT Viper, VX (выпуск с 2013 по настоящее время).
Объем: 8,4 литра.
Мощность: 649 л.с.
Компания «Chrysler Group» впервые создала этот необычный автомобиль с большим двигателем v10, объем которого составлял (составляет) 8,4 литра, а мощность- 649 л.с. (крутящий момент равен 813 Н.м. при 4.950 тыс. об. в минуту).
Максимальная скорость автомобиля- 330 км/час. Разгон с 0 — до 100 км/час всего за 3,3 секунды.
Отметим здесь, что это не самый максимальный по объему двигатель, который был установлен на легковую автомашину. Есть еще двигатель от Chevrolet «572» V8 объемом в 9,2 л, но он уступает данному Viper по мощности.
10) Самый большой двигатель установленный на серийном мотоцикле
Объем: 2,3 литра.
Мощность: 140 л.с.
Многие из вас наверное предполагали, что эта номинация («самый большой и сильный двигатель») достанется естественно мотоциклам компании «Harley Davidson», но увы, многие ошиблись, это не так.
Самым большим двигателем когда-либо установленным на мотоцикл и выпускавшимся серийно является 3-х цилиндрованный агрегат Triumph Rocket III. На мотоцикле был установлен 2,3 литровый двигатель с водяным охлаждением.
Его мощность 140 л.с. при 6.000 тыс. об. в минуту. Сила тяги составляла (составляет) 200 Н.м. при 2.500 тыс. об. в минуту.
Емкость топливного бака- 24 литра.
Существуют еще двигатели устанавливаемые на мотоциклетную технику, которые по своему объему больше чем силовой агрегат от «Triumph Rocket III» (например, байкциклы от компании «Bosshoss»), но тем не менее эта номинация победителя отдана компании «Triumph Rocket», так как ее большой двигатель был установлен на обычный традиционный мотоцикл, а не на его модификации или на мотоциклы, которые подверглись тюнингу (крафт-машины или автобайки).
В этот «ТОП-10» не попал еще один заслуживающий внимание реактивный двигатель. В этот основной список он не попал по той причине, что в данной подборке по возможности были представлены все виды двигателей именно по отраслям. Зато в этот «Топ» попал другой самолетный двигатель, который по своему размеру больше предыдущего двигателя.
Но несмотря на то, что этот двигатель не попал в список самых больших двигателей в мире, он в настоящий момент по-прежнему является самым большим реактивным двигателем на планете.
Авиационный реактивный мотор GE90-115B, которым оснащаются самолеты Боинг серии 777
Размер двигателя: Диаметр- 3,25 м., Длина– 7,49 м., Вес– 7.550 тыс. кг.
Мощность: Сила тяги– 569.000 тыс. Н.м.
( занесен в книгу Рекордов Гиннеса, как двигатель с самой мощной тягой реактивных авиационных двигателей в мире ).
Несмотря на свой огромный размер этот двигатель остается самым лучшим в мире широкофюзеляжным мотором в самолетостроении по своей эффективности.
Конструкция самого двигателя тоже удивительна, как и его технические характеристики. Материалы, используемые в двигателе, способны выдерживать температуры до плюс 1316 градусов по Цельсию . Этот двигатель во время дальних полетов экономит до 10% горючего топлива от общего объема по сравнению с другими аналогичными авиационными силовыми агрегатами (двигателями).
Мощный двигатель Стирлинга
Новые двигатели современного автомобилестроения почти достигли своего пика, кажется уже нечего усовершенствовать. Добавление в систему ДВС турбонаддува повышает мощность, но уменьшает ресурс двигателя, оно и понятно, объем двигателя небольшой, а из него выжимают мощь, как у мотора большего объема, но без турбины. Инженеры автоиндустрии начинают перебирать все возможные направления в развитие двигателестроения. Некоторые разрабатывают супертопливо, некоторые ищут нестандартные конструкции силового агрегата, некоторые планируют создать современный двигатель на базе двигателя Роберта Стирлинга, который был создан в 19 веке. Сейчас продаются сувениры ДВС, купить двигатель Стирлинга можно и на алиэкспресс.
Схема работы двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга — это устройство, которое преобразует внешнюю энергию в полезную механическую. Это достигается за счет изменения температуры жидкости или газа, циркулирующие в замкнутой системе двигателя.
Кто понимает физические законы, тому легко понять принцип работы любого двигателя. Что касается данного силового агрегата, то схема его выглядит следующим образом: внизу устройства устройства находится газ, например, воздух, который нагревается и расширяясь толкает поршень. Затем горячий воздух попадает в верхнюю часть ДВС и охлаждается радиатором. Избыточное давление, которое толкало поршень снижается, и поршень опускается, затем воздух опять нагревается и поднимает поршень. Так повторяются циклы.
Три основных варианта двигателя Стирлинга
Модификация Альфа
Мотор устроен таким образом, что он имеет и горячий цилиндр-поршень, и холодный цилиндр-поршень. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный расположен в системе охлаждения и движется от остывания воздуха.
Модификация Бета
Данная конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в сторону холодной части, а вытеснитель толкает в сторону горячей. Регенератор перемещает остывший воздух в горячий рабочий объем цилиндра.
Модификация Гамма
Устройство данной модификации состоит из двух цилиндров и поршней. Имеет регенератор циркуляции газа. Один цилиндр горячий с одной стороны и холодный с другой, в нем поршень и вытеснитель. Второй цилиндр полностью холодный, там только поршень. 
Плюсы двигателя Стирлинга
Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.
Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.
Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.
Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.
Конструкция двигателя Бета
Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.
Минусы двигателя Стирлинга
Невозможно в настоящее время массовое применения данного вида двигателя. Для таких агрегатов требуется большие радиаторы охлаждения. Теплообменник должен быть сделать из материалов, устойчивых к высоким температурным воздействиям.
Коэффициент полезного действия
КПД от разности температур в двигателе может достигать около 70%. По циклу Карно на графике КПД выглядит следующим образом. 
На практике был установлен 4-х цилиндровый двигатель Стирлинга на автомобиль был установлен вначале 20 века и выдал 35% КПД.
Американская автомобильная компания Mechanical Technology Inc (Меканикал Технолоджи Инкопорейтед) создает двигатели Стирлинга. Их ДВС выдают КПД 43,5%.
Примеры успешного применения двигателей Стирлинга
Во второй половине 20 века несколько компаний начали разрабатывать моторы Стирлинга и устанавливать их на легковые автомобили. 
Успешные модели оказались у таких компаний, как Ford Motor Company, Volkswagen Group, UNITED STIRLING (Швеция), General Motors, модель Стирлинга «Philips 4-125DA» (Нидерланды).
Видео
Фильм «Роберт Стирлинг и его двигатель».
Как работает двух цилиндровый вакуумный двигатель.
Зачем выбирать мотор большого объема и почему на американских авто устанавливается большой объем двигателя при не всегда впечатляющей мощности?
Ведь некоторые японские/европейские авто выжимают 300 л.с. из 2 или 3 литров двигателя, а не из 5 литров (как американские) и они же при одинаковом его объеме с американскими авто выдают больше мощности в л.с., например, Мерседес объемом в 5 литров выдает 330 л/с, а Джип Гранд Чероки при том же объеме выдает всего-навсего 220.
✅ Попробуем разобраться
Откинув эмоции и не переходя на личности, попробую рассказать, что такое американский двигатель вообще и он же большого объема в частности.
Дело в том, что люди, которые пытаются сравнивают классические американские двигатели с европейскими или японскими по мощности — являются абсолютными невеждами в автомобильной области вообще, и в области двигателестроения в частности, т. к. классический большеобъемный американский мотор и европейские/японские малолитражные моторы имеют кардинальные отличия.
✅ Но обо всем по порядку.
Когда то давно, в 50-70 годах, американцы были беззаботными и веселыми ребятами, которые с удовольствием ездили на больших, и на тот момент очень совершенных автомобилях.
В то время надпись Made in USA на автомобиле означала престиж и качество. Да и по другому быть не могло, ибо уже тогда американцы делали отличных машин едва ли не больше, чем во всем остальном мире вместе взятом.
Японский автопром тогда ходил под стол пешком и ходил туда в таком положении где-то до середины 80-х годов. В Европе тогда автопром тоже не блистал яркостью и разнообразием.
Кстати, такой любимый нынешнеми ценителями MB SL Gullwing, имел в подвеске не шаровые опоры, а шкворни, в то время как в Америке в это же время даже на семейные седаны ставились шаровые опоры. Это так, для сведения, чтобы был ясен уровень Америки и Европы с Японией на тот момент.
Тогда, каждому американцу было ясно как день, что хороший автомобиль — это большой американский автомобиль. Чем больше и просторнее — тем лучше. И для обеспечения неплохой динамики почти 3-х тонным машинкам нужен был мощный двигатель.
И американцы, не долго думая, рассудили просто. Чем больше объем — тем больше мощность. Отсюда и пошли 4, 5, 7 и 8 литровые двигатели. Тогда, в то время они без особого напряга выдавали 300-400 лошадей и могли разгонять 3-х тонного 6-ти метрового сверкающего хромом красавца до сотни секунд за 9-10. Машинка при этом могла кушать 30-40 литров бензина, однако, такой расход в то время никого особенно не пугал, ибо бензина было много, он был дешевый а доходы даже простых американцев росли вместе с подъемом экономики Америки.
В Европе же, от банальной послевоенной бедности и природной прижимистости европейцев такие мощные двигатели никак не могли появится, и Европа пошла своим путем. Они начали делать маленькие двигатели и ставить их в свои плешивые маленькие автомобильчики типа Ситроен 2CV. А уж потом, по мере развития технологий стали доводить эти маленькие моторчики и поднимать их мощность с целью научить свои евродрандулеты ездить быстрее.
Но пришел топливный кризис 70-х и американцы задумались о том, что не все в этом мире так просто. К тому же в штатах, вовсю набирались сил общества, борющиеся за чистый воздух и прочие высокие материи («зеленые»). Их крайне раздражали прожорливые и достаточно неэкологичные моторы большого объема, и в результате под лозунгом борьбы за экологию и экономию бензина, произошло ключевое событие:
✅ АМЕРИКАНСКИЕ ДВИГАТЕЛИ УРЕЗАЛИ ПО МОЩНОСТИ ОСТАВИВ ПРИ ЭТОМ ИХ ОБЪЕМ
И в результате к примеру Бьюик Ривера 74 года выпуска с двигателем объемом 7.5 литров имел мощность 245 лошадей при степени сжатия 8.5:1. Хотя снять с этого двигателя все 400 лошадей можно было бы путем нескольких простых операций. Но нельзя! Зеленые не разрешали.
Как примерно гласит американская пословица — «Если тебе попался лимон, не расстраивайся — сделай из него лимонад» так и в урезании мощности двигателей вскоре нашли своеобразный плюс.
Во-первых, большие двигатели с низкой мощностью обладали гигантским крутящим моментом на низких оборотах, и как следствие во первых, автомобиль обладал хорошей динамикой разгона на любых скоростях.
Во-вторых, из за того что двигатель был низкооборотистым (максимум 4000-4500 об/мин), автомобиль обладал НИЗКИМ УРОВНЕМ ШУМА двигателя при движении с постоянной скоростью. Ну а так как хорошая машина для американцев — это комфортная машина, то такое положение вещей очень даже всех устроило.
И с тех пор, американцы поступили мудро, сохранив традицию оснащать свои автомобили большеобъемными, низкооборотистыми моментными двигателями. Именно поэтому двигатель, например Джип Гранд Чероки при объеме в 5.2 литра имеет мощность «лишь» 220 лошадей, но зато при этом обладает далеко недетским крутящим моментом в 406 Nm уже при 2800 оборотах, что делает его очень серьезным противником на светофорных гонках даже для 740 БМВ.
А все дело в том, что БМВ обладая большей мощностью при меньшем объеме, имеет пик крутящего момента выше чем двигатель гранда. И так в любом европейском или японском двигателе.
✅ЧЕМ ВЫШЕ МОЩНОСТЬ ПРИ МЕНЬШЕМ ОБЪЕМЕ, ТЕМ БЫСТРЕЕ ДОЛЖЕН ВРАЩАТЬСЯ ДВИГАТЕЛЬ
На практике это означает, что для того чтобы какой нибудь узкоглазый автомобиль с 2 литровым 200 лошадным двигателем разгонялся так как Гранд, двигатель этого узкоглазого должен визжать как электродрель где нибудь на 8000 оборотов, в то время как гранд будет разгонятся точно так же, а то и быстрее расслабленно бурча на 3000 оборотах.
Это немного утрированно, но смысл именно такой.
✅Итак, законспектируем и запомним:
1. На разгонную динамику автомобиля влияет не максимальная мощность двигателя, а его крутящий момент, измеряемый в Ньютон-метрах. Чем ниже по оборотам двигателя находится пик крутящего момента, тем быстрее машина будет разгонятся с низкого старта. Именно в этом сильны американские большеобъемные двигатели.
2. Максимальная мощность двигателя влияет на максимальную скорость автомобиля, а не на динамику его разгона.
3. Классический большеобъемный американский двигатель отличается от европейского и японского прежде всего тем, что обладает низкой литровой мощностью но при этом большим крутящим моментом на низких оборотах (2500-3000), низкой степенью сжатия и, как следствие, БОЛЬШОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТЬЮ.
4. Еще проще: Американский двигатель крутится медленно, а разгоняет машину офигенно быстро. В этом его ОСНОВНОЕ отличие от европейских и японских малообъемных агрегатов.
Как правильно выбрать бесщеточный электродвигатель
При выборе бесщеточного электродвигателя для своих разработок инженеры имеют несколько вариантов. Неправильный выбор может привести к провалу проекта не только на этапе разработки – испытания, но и после выхода на рынок, что крайне не желательно. Для облегчения работы инженеров мы сделаем краткое описание преимуществ и недостатков четырех наиболее популярных видов бесщеточных электрических машин: асинхронный электродвигатель (АД), двигатель с постоянными магнитами (ПМ), синхронные реактивные электродвигатели (СРД), вентильные реактивные электродвигатели (ВРД).
Асинхронные электродвигатели
Асинхронные электрические машины смело можно назвать костяком современной промышленности. Благодаря своей простоте, относительно низкой стоимости, минимальным затратам на обслуживание, а также возможности работать напрямую от промышленных сетей переменного тока, они прочно въелись в современные производственные процессы.
Сегодня существует множество различных преобразователей частоты с самыми различными алгоритмами управления, которые позволяют регулировать скорость и момент асинхронной машины в большом диапазоне с хорошей точностью. Все эти свойства позволили асинхронной машине значительно потеснить с рынка традиционные коллекторные двигатели. Вот почему регулируемые асинхронные электродвигатели (АД) легко встретить в самых различных устройствах и механизмах, таких как тяговый асинхронный электропривод, электроприводы стиральных машин, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок, кранов, лифтов и многом другом электрооборудовании.
АД создает вращающий момент за счет взаимодействия тока статора с индуцированным током ротора. Но токи ротора нагревают его, что приводит к нагреванию подшипников и снижению их срока службы. Замена традиционной алюминиевой обмотки на медную не устраняет проблему, а приводит к удорожанию электрической машины и может накладывать ограничения на прямой ее пуск.
Статор асинхронной машины имеет довольно большую постоянную времени, что негативно сказывается на реагировании системы управления при изменении скорости или нагрузки. К сожалению, потери связанные с намагничиванием не зависят от нагрузки машины, что снижает КПД АД при работе с малыми нагрузками. Автоматическое уменьшение потока статора возможно использовать для решения данной проблемы — для этого необходим быстрый отклик системы управления на изменения нагрузки, но как показывает практика, такая коррекция не существенно увеличивает КПД.
На скоростях превышающих номинальную поле статора ослабевает из-за ограниченного напряжения питания. Вращающий момент начинает падать, так как для его поддержания будет требоваться больший ток ротора. Следовательно, управляемые АД ограничиваются диапазоном скорости для поддержания постоянной мощности примерно 2:1.
Механизмы, которые требуют более широкого диапазона регулирования, такие как: станки с ЧПУ, тяговый электропривод, могут снабжаться асинхронными электродвигателями специального исполнения, где для увеличения диапазона регулирования могут уменьшать количество витков обмотки, снижая при этом значения крутящего момента на низких скоростях. Также возможен вариант с использованием более высоких токов статора, что требует установки более дорогих и менее эффективных инверторов.
Немаловажным фактором при работе АД является качество питающего напряжения, ведь максимальный КПД электродвигатель имеет при синусоидальной форме питающего напряжения. В реальности преобразователь частоты обеспечивает импульсное напряжение и ток, похожий на синусоидальный. Проектировщикам стоит иметь ввиду, что КПД системы ПЧ-АД будет меньше, чем сумма КПД преобразователя и двигателя в отдельности. Улучшения качества выходного тока и напряжения повышают увеличением несущей частоты преобразователя, это приводит к снижению потерь в двигателе, но при этом возрастают потери в самом инверторе. Одним из популярных решений, особенно для промышленных мощных электроприводов, является установка фильтров между преобразователем частоты и асинхронной машиной. Однако это приводит к увеличению стоимости, габаритов установки, а также к дополнительным потерям мощности.
Еще одним недостатком асинхронных машин переменного тока является то, что их обмотки распределены на протяжении многих пазов в сердечнике статора. Это приводит к появлению длинных концевых поворотов, которые увеличивают габариты и потери энергии в машине. Эти вопросы исключены в стандартах IE4 или классах IE4. В настоящее время европейский стандарт (IEC60034) специально исключает любые двигатели, требующие электронного управления.
Двигатели с постоянными магнитами
Двигатели с постоянными магнитами (английский PMMS) создают крутящий момент благодаря взаимодействию токов статора с постоянными магнитами внутри или снаружи ротора. Электродвигатели с поверхностным расположением магнитов являются маломощными и используются в IT оборудовании, офисной технике, автомобильном транспорте. Электродвигатели со встроенными магнитами (IPM) распространены в мощных машинах, используемых в промышленности.
Двигатели с постоянными магнитами (ПМ) могут использовать концентрированные (с коротким шагом) обмотки, если пульсации вращающего момента не являются критичными, но распределенные обмотки являются нормой в ПМ.
Поскольку PMMS не имеют механических коммутаторов, то преобразователи играют важную роль в процессе контроля тока обмотки.
В отличии от других видов бесщеточных электродвигателей, PMMS не требуют тока возбуждения, необходимого для поддерживания магнитного потока ротора. Следовательно, они способны обеспечить максимальный крутящий момент на единицу объема и могут быть лучшим выбором, если требования к массо-габаритным показателям выходят на первый план.
К наибольшим недостаткам таких машин можно отнести их очень высокую стоимость. Высокопроизводительные электрические машины с постоянными магнитами используют такие материалы как неодим и диспрозий. Данные материалы относятся к редкоземельным и добываются в геополитически нестабильных странах, что приводит к высоким и нестабильным ценам.
Также постоянные магниты добавляют производительности при работе на низких скоростях, но являются «Ахиллесовой пятой» при работе на высоких. Например, при увеличении скорости машины с постоянными магнитами возрастет и ее ЭДС, постепенно приближаясь к напряжению питания инвертора, при этом снизить поток машины не представляется возможным. Как правило, номинальная скорость является максимальной для ПМ с поверхностно-магнитной конструкцией при номинальном напряжении питания.
На скоростях больше номинальной, для электродвигателей с постоянными магнитами типа IPM, используют подавление активного поля, что достигается путем манипуляций с током статора при помощи преобразователя. Диапазон скорости, в котором двигатель может надежно работать, ограничен примерно 4:1.
Необходимость ослабления поля в зависимости от скорости приводит к потерям независящим от вращающего момента. Это снижает КПД на высоких скоростях, и особенно при малых нагрузках. Этот эффект наиболее актуален при использовании ПМ в качестве тягового автомобильного электропривода, где высокая скорость на автостраде неизбежно влечет за собой необходимость ослабления магнитного поля. Часто разработчики выступают за применение двигателей с постоянными магнитами в качестве тяговых электроприводов электромобилей, однако их эффективность при работе в данной системе довольно сомнительна, особенно после вычислений связанных с реальными циклами вождения. Некоторые производители электромобилей сделали переход от ПМ к асинхронным электродвигателям в качестве тяговых.
Также к существенным недостаткам электродвигателей с постоянными магнитами можно отнести их трудно управляемость в условиях неисправности из-за присущей им противо-ЭДС. Ток будет протекать в обмотках, даже при выключенном преобразователе, пока вращается машина. Это может приводить к перегреву и другим неприятным последствиям. Потеря контроля над ослабленным магнитным полем, например при аварийном отключении источника питания, может привести к неподконтрольной генерации электрической энергии и, как следствие, к опасному возрастанию напряжения.
Рабочие температуры – это еще одна не самая сильная сторона ПМ, кроме машин, изготовленных из самарий-кобальта. Также большие броски тока инвертора могут привести к размагничиванию.
Максимальная скорость PMMS ограничивается механической прочностью крепления магнитов. В случае повреждения ПМ его ремонт, как правило, осуществляется на заводе изготовителе, так как извлечение и безопасная обработка ротора практически невозможна в обычных условиях. И, наконец, утилизация. Да это тоже доставляет немного хлопот после окончания срока службы машины, но наличие редкоземельных материалов в этой машине должно упростить этот процесс в ближайшем будущем.
Несмотря на перечисленные выше недостатки, электродвигатели с постоянными магнитами являются непревзойденными с точки зрения низкоскоростных мелкогабаритных механизмов и устройств.
Реактивные синхронные двигатели
Синхронные реактивные электродвигатели всегда работают только в паре с преобразователем частоты и используют тот же тип управления потоком статора, что и обычный АД. Роторы данных машин изготавливают из тонколистной электротехнической стали с пробитыми пазами таким образом, что бы они намагничивались с одной стороны меньше, чем с другой. Стремление магнитного поля ротора «соединится» с вращающимся магнитным потоком статора и создает вращающий момент.
Основным плюсом реактивных синхронных электродвигателей являются незначительные потери в роторе. Таким образом, хорошо спроектированная и работающая с правильно подобранным алгоритмом управления синхронная реактивная машина вполне способна соответствовать европейским стандартам премиум класса IE4 и NEMA, не используя при этом постоянных магнитов. Снижения тепловых потерь в роторе повышает крутящий момент и увеличивает плотность мощности, по сравнению с асинхронными машинами. Эти двигатели имеют низкий уровень шума благодаря низкому уровню пульсаций момента и вибраций.
Основным недостатком является низкий коэффициент мощности по сравнению с асинхронной машиной, что приводит к большей потребляемой мощности из сети. Это увеличивает затраты и ставит перед инженером сложную задачу, стоит ли применять реактивную машину или нет для конкретной системы?
Сложность в изготовлении ротора и его хрупкость делает невозможным применение реактивных электродвигателей для высокоскоростных операций.
Синхронные реактивные машины хорошо подходят для широкого спектра промышленных применений, которые не требуют больших перегрузок или высоких скоростей вращения, а также все чаще применяются для частотно-регулируемых насосов из-за повышенной их эффективности.
Вентильные реактивные электродвигатели
Вентильный реактивный двигатель (с английского SRM) создает вращающий момент за счет притягивания магнитных полей зубцов ротора к магнитному полю статора. Вентильные реактивные двигатели (ВРД) имеют относительно небольшое количество полюсов обмотки статора. Ротор имеет зубчатый профиль, что упрощает его конструкцию и улучшает создаваемое магнитное поле, в отличии от реактивных синхронных машин. В отличии от синхронных реактивных двигателей (СРД), ВРД используют импульсное возбуждение постоянного тока, что требует обязательное наличие специального преобразователя для их работы.
Для поддержания магнитного поля в ВРД необходимы токи возбуждения, что уменьшает плотность мощности по сравнению с электрическими машинами с постоянными магнитами (ПМ). Однако они все же имеют габаритные размеры меньшие, чем обычные АД.
Основным преимуществом вентильных реактивных машин является то, что ослабления магнитного поля происходит естественным образом при снижении тока возбуждения. Это свойство дает им большое преимущество в диапазоне регулирования при скоростях выше номинальной (диапазон устойчивой работы может достигать 10:1). Высокая эффективность присутствует у таких машин при работе на высоких скоростях и с малыми нагрузками. Также ВРД способны обеспечить удивительно постоянную эффективность в довольно широком диапазоне регулирования.
Вентильные реактивные машины обладают также довольно хорошей отказоустойчивостью. Без постоянных магнитов эти машины не генерируют неуправляемый ток и момент при неисправностях, а независимость фаз ВРД позволяет им работать с уменьшенной нагрузкой, но с повышенными пульсациями момента при выходе из строя какой-то из фаз. Это свойство может быть полезно, если проектировщики хотят повышенной надежности разрабатываемой системы.
Простая конструкция ВРД делает его прочным и недорогим в изготовлении. При его сборке не используются дорогие материалы, а ротор из нелегированной стали отлично подходит для суровых климатических условий и высоких скоростей вращения.
ВРД имеет коэффициент мощности меньший, чем ПМ или АД, но его преобразователю не нужно создавать выходное напряжение синусоидальной формы для эффективной работы машины, соответственно такие инверторы имеют меньшие частоты коммутации. Как следствие – меньшие потери в инверторе.
Основными недостатками вентильных реактивных машин являются наличие акустических шумов и вибрации. Но с этими недостатками довольно хорошо борются путем более тщательного проектирования механической части машины, улучшения электронного управления, а также механическое объединение двигатель – рабочий орган.
ВРД хорошо подходят для широкого спектра применения и их все чаще используют для обработки сверхпрочных материалов из-за большой перегрузочной способности и большого диапазона регулирования скоростей. Большая перегрузочная способность делает их все более привлекательными для использования в качестве тяговых электроприводов современных электромобилей. Также ВРД получили широкое распространение и в электробытовой технике.
