Меню

Филимонов с г электрические машины переменного тока



Электрические машины переменного тока

Электрические машины переменного тока. Назначение, область применение, устройство принцип действие машин.

Машины переменного тока бывают двух видов. Это синхронные машины и асинхронные. У синхронных машин скорость вращения ротора строго зависит от частоты переменного тока. Можно сказать скорость вращения «синхронна» с частотой тока. Не трудно догадаться, что у асинхронных машин частота вращения в общем случае зависит от нагрузки на валу, а не от частоты питающего тока. Кроме деления на синхронные и асинхронные электрические машины еще делятся по назначению. Это могут быть генераторы. То есть такая машина, которая преобразует механическую энергию вращения в переменный электрический ток. Машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую называется двигателем. Также существует еще один класс электрических машин. Они преобразуют электрическую энергию, тоже в электрическую, но другой частоты или напряжения. Синхронной машиной переменного тока называют такую машину, в которой: основное магнитное поле то есть поле статора создается постоянным током. В частном случае это может быть даже постоянный магнит. А вращение ротора происходит с частотой изменения тока.

Формула 1 — зависимость частоты вращения ротора синхронной машины от частоты переменного тока. где n это частота, с которой вращается ротор, измеряется в оборотах в минуту. То есть, сколько полных оборотов совершит ротор за одну минуту. f частота питающего переменного тока p количество пар полюсов у магнитной системы машины

В настоящее время асинхронные машины используются в основном в режиме двигателя. Машины мощностью больше 0.5 кВт обычно выполняются трёхфазными, а при меньшей мощности – однофазными.

Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889-91 годах. Демонстрация первых двигателей состоялась на Международной электротехнической выставке во Франкфурте на Майне в сентябре 1891 года. На выставке было представлено три трёхфазных двигателя разной мощности. Самый мощный из них имел мощность 1.5 кВт и использовался для приведения во вращение генератора постоянного тока. Конструкция асинхронного двигателя, предложенная Доливо-Добровольским, оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени.

За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.

Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания. Неподвижная часть машины называется статор , подвижная – ротор . Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 2.1 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия .

Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами . Начала фаз обозначаются буквами c 1 , c 2 , c 3 , концы – c 4 , c 5 , c 6 .

hello_html_30e2c40.jpg

Начала и концы фаз выведены на клеммник , закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда или треугольник. Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с U л =660В по схеме звезда или в сеть с U л =380В – по схеме треугольник.

Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.

hello_html_m7d4069b1.jpg

Сердечник ротора набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная . Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

hello_html_m5c76bf11.jpg

Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает “беличье колесо” и называют её типа “беличьей клетки”. Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

Однафазные асинхронные двигатели.

Асинхронный двигатель является простейшей из электрических машин. Как и любая электрическая машина, он имеет две основные части: статор и ротор.

Статор (рис. 6.1) состоит из чугунной станины 1, в которой закреплен магнитопровод 2 в виде полого цилиндра. Между станиной и сердечником обычно оставляют зазор, через который проходит охлаждающий воздух. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод набирают из тонких (0,5 мм) листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком.

hello_html_m28c837bb.png

Рис. 6.1 . Конструкция статора асинхронного двигателя:

1 — станина; 2 — сердечник; 3 — обмотка;

4 — лапа; 5 — прокладка

В пазы, вырезанные по внутренней окружности статора, укладывают обмотку 3. У двухполюсной машины обмотка статора состоит из трех катушек, сдвинутых на углы 120°, у четырехполюсной — из шести катушек, сдвинутых на 60°, у шестиполюсной — из девяти катушек и т. д. Обмотку в пазах статора закрепляют клиньями.

Ротор также набирают из тонких листов электротехнической стали. В пазах ротора размещают обмотку, которая может быть короткозамкнутой или фазной (рис. 6 .2 ). Короткозамкнутая обмотка типа

hello_html_22191655.pnghello_html_6f7f3a19.png

Рис. 6.2 . Общий вид ротора асинхронного двигателя с коротко- замкнутой (а) и фазной (б) обмотками

«беличья клетка» изображена на рис. 6.3 . Она состоит из толстых проводящих стержней (медь, алюминий), соединенных по торцам медными или алюминиевыми кольцами. Короткозамкнутая обмотка не изолируется от ротора. Иногда ее изготовляют заливкой расплавленного алюминия в пазы ротора.

Контактные кольца 1 , изготовленные из латуни или меди, укрепляют на валу двигателя с помощью изолирующих прокладок. Щеткодержатель с угольными или медно-графитовыми щетками 2 крепят на подшипниковом щите.

hello_html_m7749fe90.png

Рис. 6.3 . Общий вид коротко- замкнутой обмотки типа «беличья клетка»

hello_html_m2187105.png

Рис. 6.4 . Схема соединения фазной обмотки ротора с регулировочными реостатами:

1 —’контактные кольца, 2— щетки; 3 — реостаты

Общий вид асинхронного двигателя показан на рис. 6.5 .

hello_html_m868c39c.pnghello_html_m45a618d1.png

Рис. 6.5 . Общий вид асинхронного двигателя с короткозамкнутой (а) и фазной (б) обмотками ротора

Принцип действия асинхронного двигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники.

При включении двигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки роторо. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора индукциреутся ЭДС , пропорциональная частоте пересечения силовых линий. Под действием индуцированной ЭДС в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

В соответствии с законом Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют механические силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину, вызывающую индуцированный ток, т. е. пересечение стержней обмотки ротора силовыми линиями вращающегося поля. Таким образом, возникшие механические силы будут раскручивать ротор в направлении вращения поля, уменьшая скорость пересечения стержней обмотки ротора магнитными силовыми линиями.

Достичь частоты вращения поля в реальных условиях ротор не может, так как тогда стержни его обмотки оказались бы неподвижными относительно магнитных силовых линий и индуцированные токи в обмотке ротора исчезли бы. Поэтому ротор вращается с частотой, меньшей частоты вращения поля, т. е. несинхронно с полем, или асинхронно.

Если силы, тормозящие вращение ротора, невелики, то ротор достигает частоты, близкой к частоте вращения поля. При увеличении механической нагрузки на валу двигателя частота вращения ротора уменьшается, токи в обмотке ротора увеличиваются, что приводит к увеличению вращающего момента двигателя. При некоторой частоте вращения ротора устанавливается равновесие между тормозным и вращающим моментами.

Синхронный двигатель

Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рис. 6.6 ).

Принцип работы синхронного двигателя поясняется рис. 6.7 . Внутри магнита N 1 S 1 помещен магнит NS . Если магнит N 1 S 1 вращать, то он потянет за собой магнит NS . В стационарном режиме частоты вращения обоих магнитов одинаковы.

К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол отставания оси магнита NS от оси магнита NiSi . При некоторой нагрузке силы притяжения между магнитами будут преодолены и ротор остановится.

В реальном двигателе поле магнита N 1 S 1 заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статора, отставая на угол , либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора:

hello_html_m24b5888.png

Рис. 6.6. Схематическое изображение Рис. 6.7. К пояснению принципа синхронного двигателя работы синхронного двигателя

Постоянство частоты вращения — важное достоинство синхронного двигателя. Строгое постоянство частоты вращения требуется во многих областях техники, например при записи и воспроизведении звука. Недостаток синхронного двигателя — трудность пуска: для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения поля статора. Для этого чаще всего применяют специальную короткозамкнутую обмотку, вделанную в ротор. В момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля статора, ротор входит в синхронизм и двигатель работает как синхронный. Короткозамкнутая обмотка при этом оказывается обесточенной, так как частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора и стержни обмотки ротора не пересекаются магнитными силовыми линиями.

В настоящее время существует тенденция замены на подвижных объектах (корабли, самолеты, автомобили) электрических цепей постоянного тока цепями переменного тока повышенной частоты (200, 400 Гц и выше). Возможность использования бесколлекторных машин переменного тока, трансформаторов и магнитных усилителей позволяет повысить надежность работы цепи, а также уменьшить габариты и массу машин и аппаратов.

При оборудовании объекта сетью переменного тока широкое применение находит электропривод на переменном токе. Разработаны схемы с асинхронными и синхронными двигателями, которые позволяют выполнить все операции, осуществляемые ранее двигателями постоянного тока.

Преимущества асинхронных двигателей особенно заметны тогда, когда по условиям работы привода нет необходимости в плавном регулировании частоты вращения в широких пределах и больших пусковых моментах (привод насосов, вентиляторов и др.).

Синхронные двигатели особенно удобны для привода роторов гироскопов. В тех случаях, когда гироскоп используют для особо точных измерений (например, в баллистических ракетах), приводом ротора гироскопа служит синхронный двигатель. При этом частота вращения ротора зависит только от конструкции двигателя и частоты питающего тока, которую можно стабилизировать с очень высокой степенью точности.

Синхронный генератор

Ротор синхронных машин вращается синхронно с вращающимся магнитным полем (отсюда их назва н ие). Поскольку частоты вращения ротора и магнитного п ол я одинаковы, в обмотке ротора не индуцируются токи. Поэтому обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока.

Устройство статора синхронной машины (рис. 6.8) практически не отличается от устройства статора асинхронной машины.

hello_html_m103d2df3.png

Рис 6.8 . Общий вид статора синхронного генератора.

hello_html_349b9131.png

Рис 6.9 . Общий вид неявнополюсного ротора синхронного генератора.

Роторы синхронных генераторов могут быть явнополюсными (рис. 6.9) и неявнополюсными (рис. 6.10). В первом случае синхронные генераторы приводятся в действие тихоходными турбинами гидроэлектростанций, во втором — паровыми или газовыми турбинами теплоэлектростанций.

hello_html_m59544348.png

Рис. 6.10. Общий вид неявнополюсного ротора синхронного генератора

Используют различные способы возбуждения синхронных генераторов. Широкое распространение получил синхронный генератор с машинным возбудителем, представляющим собой генератор постоянного тока, расположенный на одном валу с синхронным генератором. Машинный возбудитель приводится в действие от того же первичного двигателя, что и синхронный генератор. Выходные зажимы возбудителя через щетки и кольца подсоединены к обмотке ротора синхронного генератора. Напряжение синхронного генератора можно регулировать реостатом в цепи обмотки возбуждения возбудителя, что удобно и энергетически выгодно, так как в этой обмотке протекают сравнительно небольшие токи.

Читайте также:  Две лампы соединены параллельно напряжение 220 сила тока 0 5 а

Находят также применение генераторы с самовозбуждением через полупроводниковые или механические выпрямители.

Из характеристик синхронного генератора наибольший практический интерес представляют внешние характеристики, выражающие зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при неизменных значениях тока возбуждения, частоты и коэффициента мощности.

Источник

Лекция 14. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Виды электромеханических преобразователей энергии. Электрические машины переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. Асинхронными электрическими машинами, прежде всего, являются самые распространенные электродвигатели, а синхронными – генераторы электрической энергии на электростанциях всех типов. В качестве электрических двигателей синхронные машины используются значительно реже, чем асинхронные. Принцип действия машин переменного тока основан на использовании вращающегося магнитного поля, создаваемого многофазными обмотками. Любая электрическая машина имеет неподвижную часть, называемую «статор», и вращающуюся часть – «ротор». У синхронных машин скорость вращения ротора постоянна при любых нагрузках и всегда равняется скорости вращения поля. У асинхронных машин скорость вращения ротора всегда отличается от скорости вращения поля. Например, у асинхронного двигателя скорость вращения ротора с увеличением момента нагрузки на валу снижается.

Электрические машины осуществляют электромеханическое преобразование энергии. В технике используются в основном три вида электромеханических преобразователей: электрический генератор; электрический двигатель; электромаг­нитный преобразователь (рис. 14.1)

Разница затрачиваемой Рмех и полезной Рэл мощностей является суммой потерь мощности в генераторе ∑ΔР. Все потери мощности превращаются в теплоту, нагревающую машину.

Электрический генератор (рис. 14.1, а) преобразует механическую энергию приводящего его во вращение двигателя в элект­рическую, которая передаётся потребителю (нагрузке). Подчеркнём, что нагревание является следствием, а не причиной возникновения потерь мощности. Коэффициентом полезного действия генератора η является отношение отдаваемой активной электрической мощности к потребляемой механической.

Электрический двигатель (рис. 14.1, б) преобразует подводимую к нему электрическую энергию в механическую энергию вала, вращающегося вместе с ротором, которая используется для приведения в движение машин и механизмов (нагрузок). Этот процесс также сопровождается возникновением потерь мощности, вызывающих нагревание двигателя. КПД двигателя равен отноше­нию механической мощности на валу к потребляемой из электрической сети активной мощности.

Электромашинный преобразователь (рис. 14.1, в) преобразует электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида, например переменный ток – в постоянный, постоянный ток – в переменный, переменный ток одной частоты – в переменный ток другой частоты (преобразователь частоты) или постоянный ток одного напряжения – в постоянный ток другого напряжения (т. е. выполняет функцию трансформатора постоянного тока).

У электромеханических преобразователей энергии (электрических машин) КПД намного превосходят КПД других видов преобразователей. Например, КПД турбогенератора с номинальной мощностью 500 МВт достигает 98,75%, а КПД серийного асинхронного двигателя мощностью 3 кВт – 83%.

Магнитодвижущие силы обмоток переменного тока. Магнитодвижущая сила (МДС) всех обмоток переменного тока, расположенных на статоре или роторе электрической машины, должна создавать в ее воздушном зазоре вращаю­щееся магнитное поле. Для этого каждая из обмоток, питаю­щаяся от синусоидально изменяющегося напряжения, должна иметь МДС, синусоидально распределенную в пространстве, т. е. по расточке статора или по окружности ротора. Несо­блюдение этих условий, т. е. питание от несинусоидального напряжения или несинусоидальное распределение МДС, при­водит к появлению высших гармонических в кривой распре­деления магнитного потока, что ведет к ухудшению энергети­ческих показателей машины. Будем считать, что обмотки получают питание от источ­ника напряжения чисто синусоидальной формы. Выясним, как должна быть выполнена обмотка переменного тока, что­бы распределение её МДС было синусоидальным.

Магнитодвижущая сила сосредоточенной обмотки. Рассмот­рим двухполюсную машину с простейшей сосредоточенной обмоткой (рис.14. 2, а), у которой все витки, включенные в фазу АХ, находятся в пазах, расположенных в диамет­ральной плоскости. При прохождении тока от начала фазы А к ее концу X возникает двухполюсный магнитный поток, силовые линии которого направлены, как показано на рис. 14.2, а. Каждая силовая линия этого потока сцеплена со всеми витками w катушки данной фазы, поэтому создаваемая катушкой магнитодвижущая сила Fк = Σi = iw.

При максимальном значении тока в катушке эта МДС также имеет максималь­ное значение: Fк = Imw = √2Iw. Примем, что вся указанная МДС расходуется на преодо­ление магнитного сопротивления воздушных зазоров, т. е. что магнитное сопротивление ферромагнитных участков магнитной цепи машины равно нулю. При этом распределе­ние МДС вдоль окружности статора имеет прямоугольную форму (рис. 14.2, б). Во всех точках воздушного зазора действует неизменная МДС: F = 0,5Fк, при переходе через середину пазов её знак изменяется в соответствии с измене­нием полярности статора на данном участке. Прямоугольное распределение МДС можно разложить в ряд Фурье и представить в виде суммы синусоид. При этом для момента времени, соответствующего максималь­ному току в катушке, имеем:

где х – расстояние от оси симметрии обмотки, называемой осью фазы (рис. 14.2, б).

Следовательно, при максимальном значении тока ампли­туда первой гармонической МДС для сосредоточенной об­мотки

F1 = (22/π)I w ≈ 0,9I w. (14.2)

Разложение в ряд Фурье позволяет количественно оценить отклонение кривой МДС от синусоидальной формы. При сосредоточенной обмотке это отклонение очень велико, поэтому такая обмотка получила ограниченное применение.

Магнитодвижущая сила распределенной обмотки. Для улуч­шения формы кривой распределения поля обмотку каждой фазы размещают в нескольких пазах. Это улучшает и усло­вия охлаждения обмотки. На рис. 14.3, а показана двухполюсная машина с обмоткой фазы, расположенной в шести пазах (при q = 3). Магнитодви­жущую силу распределенной обмотки можно определить как сумму МДС трех сосредоточенных катушек с числом витков в каждой w = w/3, сдвинутых в пространстве на угол α = πb/τ, где b – расстояние между осями соседних пазов. Форма распределения результирующей МДС получа­ется в этом случае ступенчатой (рис. 14.3, б). При максималь­ном значении тока в фазе катушки, расположенные в пазах 22 , 33 и 11 ′ , создают в воздушном зазоре следующие значения МДС:

Аналитическое выражение для результирующего распреде­ления МДС обмотки можно получить суммированием МДС каждой из катушек. Наиболее удобно это сделать, изобразив векторами пространственные гармонические составляющие МДС. Амплитудные значения первой, третьей и других гармони­ческих результирующей МДС можно определить путем векторного сложения амплитуд соответствующих гармонических МДС

( ) отдельных катушек (рис. 14.4). При этом следует учитывать, что первые гармонические МДС ( ) сдвинуты одна относительно другой на угол α = πb/τ, третьи – на угол 3α и т. п. Амплитудное значение первой гармонической результирующей МДС F1 = 2Rsin (qα/2), где R – радиус окружности, описанной вокруг векторов , определяемый из условия 2Rsin (α/2) = Fп11 = Fп21 = Fп31 = 0,9I w.

Таким образом (рис. 14. 4, а),

F1 = (0,9I w/3) sin (qα/2)/ sin (α/2), (14.3)

или в более общем виде (заменяя число 3 в знаменателе значением q)

F1 = 0,9I w sin (qα/2)/[qsin (α/2)]. (14.3a)

Сравнивая (14.4, а) и (14.3), можно установить, что амплиту­да первой гармонической результирующей МДС при распре­делённой обмотке отличается от соответствующего значения при сосредоточенной обмотке только множителем

kp1 = sin (qα/2)/[qsin(α/2)], (14.4)

называемым коэффициентом распределения обмотки для пер­вой гармонической. Этот коэффициент равен отношению век­торной суммы МДС, создаваемых катушками, расположен­ными во всех пазах данной фазы, к их алгебраической сумме. При векторном сложении амплитудных значений третьих гармонических МДС катушек (рис. 14.4, б) амплитуда результирующей магнитодвижущей силы возрастает не так силь­но, как магнитодвижущая сила , т. е. для третьих гармонических отношение амплитуд результирующей МДС к МДС одной катушки зна­чительно меньше, чем для первых гармонических. Это от­носится также ко всем высшим гармоническим МДС. Следо­вательно, распределение обмотки по нескольким пазам ослаб­ляет высшие гармонические в кривой результирующей МДС и улучшает форму поля в воздушном зазоре, приближая ее к синусоиде. В общем случае для ν-й гармонической коэффициент распределения обмотки

kpν = sin(qvα/2)/[qsin(vα/2)], (14.5)

где vα – угол сдвига между v-ми гармоническими МДС от­дельных катушек.

Магнитодвижущая сила при укорочении шага обмотки. Из приведенных данных следует, что при распределении обмотки происходит сильное ослабление ряда высших гар­монических (пятой, седьмой). Но некоторые гармонические ослабляются незначительно. Поэтому часто наряду с рас­пределением применяют укорочение шага обмотки, т. е. расстояние у между сторонами каждой катушки берут меньшим полюсного деления τ. В этом случае обмотку выполняют двухслойной, причем одна сторона каждой катушки находится в нижнем слое, а другая – в верхнем. В качестве примера на рис. 14.5, а показано расположение двухслойной обмотки в пазах двухполюсной машины при q = 3. Обмотка каждой фазы состоит из шести катушек.

указанных обмоток (рис. 14.5, в), значение которых при максимальном значении тока в фазе. F’1 = 1 = 0,45Iwkp1.

F1 = 2F 1sin(πβ/2) = 0,9Iwkp1ky1, (14.6)

где ky1 = sin(πβ/2) – коэффициент укорочения.

Для высших гармонических сдвиг по фазе между МДС двух указанных обмоток равен νπ(1 – β). При этом коэффици­ент укорочения

Поскольку для высших гармонических ν > 1, для некото­рых из них kyx = 0,5Fmsin(ωt – πx/τ); F ′′ x = 0,5Fmsin(ωt + πx/τ). (14.10)

в виде суммы двух векторов прямой и обратной последовательнос­тей:

При этом векторы и образуют систему МДС прямой последовательности, причем вектор опережает вектор на угол π/2. Векторы и образуют систему векторов МДС обратной последовательности, причем вектор отстает от вектора на угол π/2. В соответствии с порядком чередования максимумов МДС в фазах результирующее круговое магнит­ное поле прямой последовательности вращается в сторону, противоположную полю обратной последовательности. Величины векторов МДС прямой и обратной последова­тельностей определяют из уравнений (14.4–14.18), в которых значения и заменяют на и

Умножая левую и правую части (17) на j, запишем:

Складывая уравнения (14.17, а) и (14.17, б), получают:

Аналогично, вычитая (14.17, б) из (14.17, а), находят:

Из формулы (14.16) получим:

На рис. 14.10 показано графическое разложение векторов FА и FB на систему векторов прямой и обратной последова­тельностей в соответствии с формулами (14.17)–(14.18, б).

Так как и , то уравнение бегущей волны для прямого и обратного круговых полей соответственно имеет вид:

Fxпр = Fпр sin (ωt – πx/τ); Fxобр = Fобр sin (ωt + πx/τ). (14.19)

Суммарные МДС полей, вращающихся в противополож­ные стороны, т. е. Fxпр и Fxобр, имеют различные значения (рис. 14.7, б), поэтому результирующее поле машины не пульсирующее, а вращающееся. В этом поле максимальное значение результирующей МДС в различные моменты времени не остается постоянным, как при круговом поле, т. е. поле эллиптическое. Таким образом, метод симметричных составляющих позволяет привести сравнительно сложное эллиптическое поле к двум простейшим круговым полям, вращающимся в противоположные стороны с частотой n1 = 60f/p. При несимметричном питании трехфазных машин токи и МДС можно определить так же, как и в двухфазных машинах. В этом случае фазные МДС следует разлагать на три составляющие (прямой, обратной и нулевой после­довательности), из которых вращающиеся магнитные поля создают только первые две составляющие.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Электрические машины переменного тока

Электрические машины служат для превращения механической энергии в электрическую (генераторы переменного и постоянного тока) и для обратного превращения (электродвигатели).

Во всех указанных случаях используются в сущности три основных открытия в области электромагнетизма: явление механического взаимодействия токов, открытое Ампером в 1821 г., явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем в 1831 г., и теоретическое обобщение этих явлений, сделанное Ленцем (1834 г.) в его известном законе о направлении индукционного тока (по существу закон Ленца предвосхитил закон сохранения энергии для электромагнитных процессов).

Электрическая машина переменного тока

Для преобразования механической энергии в электрическую или обратно необходимо создать относительное движение проводящего контура с током и магнитного поля (магнита или тока).

В электрических машинах, рассчитанных на длительную работу, используется вращательное движение подвижной части машины (ротор машины переменного тока), расположенной внутри неподвижной части (статора). Обмотка машины, служащая для создания магнитного поля, называется индуктором, а обмотка, обтекаемая рабочим током, называется якорем. Оба последних термина употребляются и для машин постоянного тока.

Читайте также:  Минимальный пусковой ток для автомобильного аккумулятора

Для увеличения магнитной индукции обмотки машин размещаются на ферромагнитных телах (сталь, чугун).

Все электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут использоваться как в качестве генераторов электрической энергии, так и в качестве электродвигателей.

Синхронные двигатели компрессорной станции

Асинхронные двигатели

В асинхронных двигателях используется одно из проявлений электромагнитной индукции. В курсах физики оно демонстрируется следующим образом:

Под медным диском, способным вращаться вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр, помещается вертикальный подковообразный магнит, приводимый во вращение вокруг той же оси (механическое взаимодействие диска и магнита исключено). При этом диск приходит во вращение в ту же сторону, что и магнит, но с меньшей скоростью. Если увеличить механическую нагрузку на диск (например, увеличив трение оси о подпятник), то скорость его вращения уменьшается.

Физический смысл этого явления легко объясняется теорией электромагнитной индукции: при вращении магнита создается вращающееся магнитное поле, наводящее в диске вихревые токи величина последних зависит при прочих равных условиях от относительной скорости поля и диска.

Согласно закону Ленца диск должен прийти во вращение в направлении поля. При отсутствии трения диск должен приобрести угловую скорость, равную скорости магнита, тогда ЭДС индукции исчезнет. В реальных условиях трение неизбежно присутствует, и диск приобретает меньшую скорость. Ее величина зависит от механического тормозящего момента, испытываемого диском.

Несовпадение скорости вращения диска (ротора) со скоростью вращения магнитного поля отражено в названии двигателей.

Принцип действия асинхронных двигателей:

Принцип действия асинхронных двигателей

В технических асинхронных двигателях (чаще всего трехфазных) вращающееся магнитное поле создается многофазным током, обтекающим обмотку неподвижного статора. При частоте трехфазного тока f и числе катушек статора 3 р вращающееся поле делает n = f/p об/сек.

Асинхронный двигатель

В полости статора располагается способный вращаться ротор. С его валом можно соединить механизм, приводимый во вращение. В простейших «короткозамкнутых» двигателях ротор состоит из системы продольных металлических стержней, помещаемых в пазы стального цилиндрического тела. Провода соединены накоротко двумя кольцами. Для увеличения вращательного момента радиус ротора делается достаточно большим.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в разобранном виде

В других конструкциях двигателей (обычно — это двигатели большой мощности) проводники ротора образуют разомкнутую трехфазную обмотку. Концы катушек замкнуты накоротко в самом роторе, а начала выведены к трем контактным кольцам, насаженным на вал ротора и изолированным от него.

К этим кольцам при помощи скользящих контактов (щеток) присоединен трехфазный реостат, который служит для пуска двигателя в ход. После того как двигатель раскрутится, реостат полностью выводят, и ротор превращается в короткозамкнутый (смотрите — Асинхронные двигатели с фазным ротором).

Двигатель с фазным ротором на кране

На теле статора имеется доска для зажимов. К ним выводятся обмотки статора. Они могут быть включены звездой, либо треугольником, в зависимости от напряжения сети: в первом случае линейное напряжение может быть в 1,73 раз больше, чем во втором.

Величина характеризующая относительное запаздывание ротора по сравнению с полем статора у асинхронного двигателя, называется скольжением. Она изменяется от 100% (в момент пуска двигателя) до нуля (идеальный случай движения ротора без потерь).

Перемена направления вращения асинхронного двигателя достигается взаимным переключением каких-либо двух линейных проводов электрической сети, питающей двигатель.

Электропривод переменного тока

Короткозамкнутые двигатели широко применяются в промышленности. Достоинствами асинхронных двигателей являются простота конструкции и отсутствие скользящих контактов.

Основным недостатком таких двигателей до последнего времени считалась трудность регулировки числа оборотов, т.к. если для этого изменять напряжение цепи статора, то резко меняется вращающий момент, изменять же частоту питающего тока было технически затруднительно. В настоящее время для регулирования частоты питающего тока для изменения частоты вращения двигатели нашли широкое распространение современные микропроцессорные устройства — частотные преобразователи.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока строятся на значительные мощности и высокие напряжения. Как и асинхронные машины, они имеют две обмотки. Обычно обмотка якоря располагается в теле статора. Индукторы, создающие первичный магнитный поток, монтируются на роторе и питаются от возбудителя — небольшого генератора постоянного тока, смонтированного на валу ротора. В мощных машинах возбуждение иногда создается выпрямленным переменным напряжением.

Благодаря неподвижности обмотки якоря отпадают технические затруднения, связанные с использованием скользящих контактов при больших мощностях.

На рисунке ниже схематически изображен однофазный генератор. Его ротор имеет восемь полюсов. На них намотаны катушки (не показанные на рисунке), питаемые от постороннего источника постоянным током, подводимым к контактным кольцам, укрепленным на валу ротора. Полюсные катушки намотаны таким образом, что знаки полюсов, обращенных к статору, чередуются. Число полюсов обязательно четное.

Генератор переменного тока

В теле статора размещена обмотка якоря. Ее длинные рабочие «активные» проводники, перпендикулярные к плоскости чертежа, показаны на рисунке кружками, они пересекаются линиями магнитной индукции при вращении ротора.

В кружках указано мгновенное распределение направлений индуцированных электрических полей. Соединительные провода, идущие по передней стороне статора, показаны сплошными линиями, а по задней стороне — пунктиром. Зажимы К служат для присоединения внешней цепи к обмотке статора. Направление вращения ротора указано стрелкой.

Если мысленно разрезать машину по радиусу, проходящему между зажимами К, и развернуть на плоскость, то взаимное расположение обмотки статора и полюсов ротора (сбоку и в плане) изобразится схематическим рисунком:

Взаимное расположение обмотки статора и полюсов ротора генератора

Рассматривая рисунок, убеждаемся, что все активные проводники (проходящие над полюсами индуктора) соединены друг с другом последовательно, причем индуцируемые в них ЭДС суммируются. Фазы всех ЭДС, очевидно, получаются одинаковыми. За время одного полного оборота ротора в каждом из проводников (и, следовательно, во внешней цепи) получится четыре полных периода изменения тока.

Если электрическая машина имеет p пар полюсов и ротор вращается, совершая n оборотов в секунду, то частота получаемого от машины переменного тока равна f = pn гц.

Так как частота ЭДС в сети должна быть неизменна, то скорость вращения роторов должна быть постоянна. Для получения ЭДС технической частоты (50 гц) можно использовать сравнительно медленное вращение, если число полюсов ротора достаточно велико.

Для получения трехфазного тока в теле статора располагают три отдельные обмотки. Каждая из них смещена относительно двух других на одну треть дугового расстояния между соседними (разноименными) полюсами индукторов.

Получение трехфазного тока

Легко убедиться, что при вращении индукторов в обмотках индуцируются ЭДС, сдвинутые по фазе (во времени) на 120°. Концы обмоток выводятся из машины и могут соединяться звездой или треугольником.

В генераторе относительная скорость поля и провода определяется диаметром ротора, числом оборотов ротора в секунду и числом пар полюсов.

Гидрогенераторы

Если генератор приводится во вращение током воды (гидрогенератор), то обычно он делается тихоходным. Для получения нужной частоты тока приходится увеличивать число полюсов, что в свою очередь требует увеличения диаметра ротора.

По ряду технических соображений мощные гидрогенераторы имеют обычно вертикальный вал и располагаются над гидротурбиной, приводящей их во вращение.

Турбогенераторы

Генераторы, движимые паровыми турбинами — турбогенераторы, обычно быстроходны. Для уменьшения механических усилий они имеют малые диаметры и соответственно небольшое число полюсов. Ряд технических соображений заставляет делать турбогенераторы с горизонтальным валом.

Если генератор приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания, то его называют дизель-генератором, так как в качестве двигателей обычно применяют дизели, потребляющие более дешевое топливо.

Дизель-генератор

Обратимость генераторов, синхронные двигатели

Если к обмотке статора генератора приключить переменное напряжение от внешнего источника, то возникнет взаимодействие полюсов индуктора с магнитным полем тока, создавшегося в статоре, причем на все полюсы будут действовать вращающие моменты одного и того же направления.

Если ротор вращается с такой скоростью, что как раз через половину периода переменного тока под рассматриваемый проводник обмотки статора подойдет следующий полюс индуктора (противоположный по знаку первому полюсу), то знак силы взаимодействия между ним и током, изменившим свое направление, останется прежним.

При этих условиях ротор, находясь под непрерывным воздействием вращающего момента, будет продолжать свое движение и сможет приводить в действие какой-либо механизм. Преодоление сопротивлений движению ротора будет происходить за счет энергии, потребляемой из сети, и генератор превратится в электродвигатель.

Синхронный двигатель

Следует отметить, однако, что непрерывное движение возможно лишь при строго определенной скорости вращения, так как при отклонении от нее на каждый из полюсов ротора, перемещающийся между двумя проводниками статора, часть времени будет действовать ускоряющий вращающий момент, часть же времени — тормозящий.

Таким образом, скорость вращения двигателя должна быть строго определенной,— время, в течение которого полюс заменяется следующим, должно совпадать с полупериодом тока, поэтому подобные двигатели и называются синхронными.

Если переменное напряжение подается в обмотку статора при неподвижном роторе, то, хотя все полюсы ротора в течение первого полупериода тока и испытывают действие вращающих моментов одного и тою же знака, все же вследствие инерции ротор не успеет сдвинуться с места. В следующий полупериод знак вращающих моментов для всех полюсов ротора изменится на обратный.

В результате ротор будет вибрировать, но вращаться не сможет. Поэтому синхронный двигатель необходимо сначала раскрутить, т. е. довести до нормального числа оборотов, и лишь после этого включать ток в обмотку статора.

Раскручивание синхронных двигателей производится механическими способами (при малых мощностях) и специальными электрическими устройствами (при больших мощностях). Синхронный двигатель компрессора

При небольших изменениях нагрузки режим двигателя автоматически изменяется, приспосабливаясь к новой нагрузке. Так, при увеличении нагрузки на вал двигателя ротор мгновенно затормаживается. Благодаря этому меняется фазовый сдвиг между напряжением сети и противодействующей ЭДС индукции, наводимой индуктором в обмотке статора.

Кроме того, реакция якоря создает размагничивание индукторов, поэтому ток в статоре растет, индукторы испытывают увеличенный вращающий момент и двигатель, вновь начинает вращаться синхронно, преодолевая увеличенную нагрузку. Аналогичный процесс происходит при уменьшении нагрузки.

При резких колебаниях нагрузки эта приспособляемость двигателя может оказаться недостаточной, скорость его изменится значительно, он «выпадет из синхронизма» и в конце концов остановится, при этом исчезает ЭДС индукции, наводившаяся в статоре, и ток в нем резко увеличивается. Поэтому следует избегать резких колебаний нагрузки. Для остановки двигателя, очевидно, нужно сначала выключить цепь статора, а потом уже выключать индукторы, при пуске двигателя следует придерживаться обратного порядка операций.

Синхронные двигатели наиболее часто применяются для привода механизмов, которые работают с постоянной скоростью. Достоинства и недостатки синхронных двигателей, а также способы их пуска рассмотрены здесь: Синхронные двигатели и их применение

Источник

Тема 2.1 Основы теории электрических машин.

Электрические машины переменного тока.

Электрические машины предназначены для преобразования механической энергии в электрическую и, наоборот, электрической в механическую. В первом случае их называют генераторами, во втором – электродвигателями.

Электрические машины переменного тока подразделяют на синхронные, асинхронные и коллекторные. Наиболее распространены синхронные генераторы и асинхронные двигатели; коллекторные электродвигатели переменного тока позволяют легко осуществить регулирование скорости, что в асинхронных электродвигателях затруднительно. Однако из-за высокой стоимости и сложности конструкции коллекторные электродвигатели переменного тока широко не применяются.

Принцип действия асинхронного электродвигателя. На рис. 6.1 условно изображены два полюса магнита, вращающиеся (например, вручную) по часовой стрелке. Магнитные линии этого

Рис. 6.1. Принцип действия асинхронного электродвигателя

поля,двигаясь, пересекают активные проводники витка, укрепленного на оси, в котором по закону электромагнитной индукции наводится э. д. с. Если виток замкнут (например, накоротко), то в нем будет протекать индуцированный ток, направление которого определяют по правилу правой руки. В результате взаимодействия вращающегося (постоянного по величине) магнитного поля и тока на проводники витка будут действовать электромагнитные силы и , образующие вращающий момент . Виток под действием электромагнитного момента начнет вращаться. Как видно из рисунка, направление вращения витка совпадает с направлением вращения магнитного поля, но частота его вращения будет меньше частоты вращения поля (постоянного магнита), так как только при этом условии благодаря относительному движению проводников, витка и магнитных линий имеет место явление электромагнитной индукции и, наведение э. д. с. Из-за, несовпадения частот вращения ведущего поля (статора) и витка (ротора) такой электродвигатель называют асинхронным.

Устройство трехфазного асинхронного электродвигателя. Основными частями асинхронного электродвигателя (рис. 6.2) являются статор — неподвижная и ротор – вращающаяся части. Статор состоит из чугунного или алюминиевого корпуса, в котором укреплен сердечник в виде пакета из листовой электротехнической стали. В пазах сердечника статора уложены секции трехфазной обмотки, концы которой выведены на щиток зажимов для присоединения к питающей сети.

Читайте также:  Номинальный ток пускателя что это

Рис. 6.2. Устройство асинхронного электродвигателя:

1 – корпус; 2 – обмотка статора; 3 – пакет статора; 4 – пакет ротора;

5 – подшипниковый щит; 6 – щиток зажимов

Ротор электродвигателя состоит из сердечника, набранного из листовой стали, и обмотки, уложенной в его пазы, а также стального вала, концы которого находятся в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах корпуса.

Рис. 6.3. Схема размещения обмоток статора

Для получения вращающегося магнитного поля в пазы статора закладываются три обмотки, оси которых расположены в пространстве под углом 120°. Шесть концов обмоток статора выведены на щиток с зажимами, что позволяет соединить их в звезду или треугольник. Схема размещения обмоток статора показана на рис. 6.3. Каждая секция катушки лежит в двух пазах статора. Обычно катушки состоят из двух или трех секций. В каждом пазу находится несколько активных проводов статорной обмотки. В зависимости от устройства обмотки ротора асинхронные электродвигатели бывают короткозамкнутыми (с короткозамкнутой обмоткой ротора) или с фазным ротором (с контактными кольцами). Наиболее распространены короткозамкнутые двигатели благодаря их простоте, надежности и дешевизне.

Рис. 6.4. Устройство короткозамкнутой обмотки ротора

Короткозамкнутая обмотка ротора (рис. 6.4) представляет собой цилиндрическую клетку из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции закладываются в пазы сердечника ротора. Торцовые концы стержней , замыкаются кольцами из того же материала, что и стержни.

Рис. 6.5. Устройство фазного ротора

Такие клетки называют «беличьим колесом». Обычно обмотку ротора изготовляют заливкой алюминия в пазы сердечника ротора. Обмотка фазного ротора (рис. 6.5), как правило, трехфазная с таким же числом катушек, что и обмотка статора данного двигателя. Обмотки фазного ротора соединяются в звезду, причем свободные концы фаз присоединяются к трем контактным кольцам, располагаемым также на валу ротора, но изолированным от него и между собой. По контактным кольцам скользят неподвижные угольные щетки, укрепленные в специальных неподвижных щеткодержателях (рис. 6.6). Такое устройство позволяет включать в обмотки ротора трехфазный реостат, представляющий собой три регулируемых активных сопротивления, соединенных в звезду. Включение реостата в цепь ротора позволяет снизить значение пускового тока, повысить пусковой момент электродвигателя, относительно плавно регулировать его число оборотов (частоту вращения).

Рис. 6.6. Щеткодержатель: а – общий вид; б – щетка

Синхронная частота вращения и скольжение. Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя меньше частоты вращения магнитного поля. Эти частоты вращения связаны соотношением

где – частота вращения магнитного поля, об/мин, называемая синхронной: ;

– частота вращения ротора, об/мин;

В начальный момент включения электродвигателя частота вращения ротора и .

Электродвижущие силы (э. д. с.) и токи в обмотках статора и ротора. Если обмотка статора подключена к сети, а ротор электродвигателя неподвижен, то в каждой фазе обмоток статора и ротора индуцируется э.д.с.[i]

(6.3)
(6.4)

где и – фазные э. д. с. статора и ротора при неподвижном роторе;

– частота тока в статоре;

и – числа витков каждой фазы обмоток статора и ротора;

– магнитный поток двигателя;

и – обмоточные коэффициенты статора и ротора, зависящие от

конструктивных особенностей обмоток (составляют примерно 0,92-0,96).

При работе двигателя в зависимости от нагрузки на валу изменяются частота вращения ротора и скольжение . Поэтому частота тока в роторе, определяемая разностью скоростей магнитного поля и ротора, другая. Согласно (4.8), частота тока в статоре ; в роторе .

Э. д. с. каждой фазы[ii] обмотки движущегося ротора

При неподвижном роторе и она имеет максимальное значение , а когда ротор вращается с номинальной скоростью и скольжение имеет значение порядка , э. д. с. ротора будет значительно меньшей (при скольжении 5% она уменьшится в 20 раз).

В каждой фазе роторной цепи по закону Ома сила тока

где – активное сопротивление фазы ротора;

– индуктивное сопротивление фазы ротора.

Оно также изменяется в широких пределах в зависимости от частоты вращения ротора, так как зависит от частоты ( ).

Вращающий момент двигателя. Вращающий электромагнитный момент, возникающий в результате взаимодействия токов ротора с вращающимся магнитным полем статора, определяет возможность двигателя преодолевать момент сопротивления, возникающий на валу при механической работе (например, подъем груза), и способность двигателя вращаться под нагрузкой. Вращающий момент

где – вращающий момент, Н·м;

– магнитный поток двигателя, Вб;

– ток в одной фазе обмотки ротора, A;

– косинус угла сдвига фаз между током и э. д. с. в обмотке ротора;

– коэффициент, зависящий от конструктивных данных машины.

Так как магнитный поток пропорционален напряжению на зажимах статора, а ток – э. д. с. ротора, можно считать, что момент электродвигателя пропорционален квадрату приложенного к обмотке статора напряжения:

Пуск и регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей.При включении асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором в сеть на полное напряжение его пусковой ток значительно превышает номинальное значение. По мере развертывания двигателя пусковой ток быстро спадает до значения, зависящего от нагрузки на валу ротора.

В России действует специальный стандарт (ГОСТ), который регламентирует допустимые значения и частоту колебаний напряжения на зажимах различных электроприемников, в том числе ламп электрического освещения и радиоприборов, в зависимости от числа так называемых размахов изменений напряжения в час. Имеется ряд способов уменьшения пускового тока, которые для короткозамкнутого электродвигателя сводятся к временному уменьшению напряжения на зажимах статора. Наиболее простой заключается в том, что в цепь подводящих проводов включают реостат. При пуске двигателя он введен полностью. По мере развертывания двигателя сопротивления выводятся.

Частота вращения ротора

Из выражения (6.11) следует, что число оборотов электродвигателя можно регулировать изменением: скольжения, числа пар полюсов и частоты напряжения, подводимого к электродвигателю. Регулирования частоты вращения можно, достигнуть изменением числа пар полюсов обмоток статора.

Коэффициент мощности ( ) электродвигателей тоже изменяется с изменениями нагрузки. С уменьшением нагрузки снижается, что объясняется повышением доли реактивного намагничивающего тока (30–40% номинального тока двигателя), который от нагрузки не зависит.

Синхронные машины. Эти машины характеризуются тем, что число оборотов их ротора равно числу оборотов вращающегося магнитного поля статора. Статоры синхронной и асинхронной машин одинаковы, а по обмотке ротора (обмотке возбуждения) синхронной машины протекает постоянный ток от специальной машины небольшой мощности (возбудителя) или другого источника постоянного тока, например полупроводникового. Синхронные машины могут работать генераторами переменного тока и электродвигателями.

Электрические машины постоянного тока.

Машины постоянного тока применяют в народном хозяйстве реже, чем машины переменного тока, вследствие их относительно высокой стоимости и более сложного устройства. Однако они незаменимы для приводов, требующих больших вращающих моментов при пуске и регулировании скорости в широких пределах. Машины постоянного тока, как и все электрические машины, обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как генераторы и как электродвигатели.

Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания электроприводов с двигателями постоянного тока и некоторых технологических процессов (например, электролиз в электрометаллургии, электродуговая сварка и др.).

Рис. 6.13. Конструкция машины постоянного тока:

1 – подшипниковые щиты; 2 – щетки; 3 – якорь; 4 – добавочные полюсы; 5 – основные полюсы; 6 – станина; 7 – коллектор

Электродвигатели постоянного тока применяют для привода некоторых грузоподъемных машин (шахтные подъемники, краны, экскаваторы), прокатного оборудования, подвижного состава электрических железных дорог, стартерных механизмов автомобилей и тракторов и других электрических приводов, требующих широкого и плавного регулирования скорости.

Устройство машин постоянного тока. Основные части машины постоянного тока – стальная цилиндрическая станина (статор), на внутренней поверхности которой крепятся стальные сердечники электромагнитов (полюсы), а на боковых – подшипниковые щиты. Подвижная часть машины – ротор (якорь) – состоит из стального вала, на котором жестко закреплен сердечник, набранный из листовой электротехнической стали, и коллектор в виде цилиндрического переключателя, собранного из медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга слюдой (миканитом) (рис. 5.13). Обмотка якоря состоит из секций изолированной проволоки, уложенных в пазы сердечника якоря и присоединенных к пластинам коллектора. Станина статора, его полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь машины, одним из участков которой является воздушный зазор между поверхностями якоря и полюсов статора. На сердечниках электромагнитов располагаются обмотки возбуждения, Для правильного распределения магнитного потока по окружности якоря на концах сердечников укреплены стальные наконечники, охватывающие его. Сердечник якоря машины собирают из тонких стальных листов, изолированных друг от друга изоляционным лаком или бумагой. Листы якоря имеют зубчатую форму и образуют сердечник с пазами для укладки в них обмотки якоря. Обмотка состоит из отдельных секций, концы которых припаивают к медным пластинам (ламелям) коллектора – специального устройства для выпрямления переменного тока в генераторах и преобразования постоянного тока в переменный в электродвигателях.

Рис. 6.14. Принцип действия машины постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока. Приведенная на рис. 6.14 схема машины постоянного тока дает возможность пояснить принцип работы генератора и двигателя постоянного тока. На схеме показан один виток обмотки якоря и простейший коллектор в виде двух изолированных полуколец. Если переключатель , к ножам которого присоединены щетки, скользящие по коллектору, установить в нижнее положение, то обмотка якоря машины окажется соединенной с нагрузкой . При вращении якоря (с помощью первичного двигателя) в магнитном поле полюсов с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику напряжения, в обмотке якоря наводится э. д. с, направление которой можно определить по правилу правой руки.

Для генераторного режима машины постоянного тока можно написать соотношение, вытекающее из второго закона Кирхгофа

Ток в обмотке якоря , а следовательно, и ток нагрузки определяют по закону Ома:

Э. д. с. индуцированная в обмотке якоря, согласно закону электромагнитной индукции,

Здесь – э. д. с. якоря, В;

и – сопротивления нагрузки и якоря, Ом;

– напряжение на зажимах машины, В;

– коэффициент, зависящий от конструкции машины.

При работе в режиме электродвигателя, так как э. д. с. якоря направлена в сторону, противоположную (противо-э. д. с), соотношения (6.15) – (6.16) будут следующими:

(6.18)
(6.19)

При вращении якоря каждая из щеток будет попеременно соединяться то с одним, то с другим концом витка, благодаря этому во внешней цепи потечет ток одного направления. При наличии в обмотке якоря одного витка и двух коллекторных пластин выпрямленный ток не постоянный по значению, а представляет собой сильно пульсирующий ток одного направления (рис. 6.15). Для получения постоянного по значению тока необходимо увеличивать число секций обмотки якоря и коллекторных пластин. Чем больше коллекторных пластин, тем меньше глубина колебаний и тем ближе кривая э. д. с. к прямой линии.

Рис. 6.15. График выпрямленного пульсирующего тока

Щетки в машинах постоянного тока располагаются между главными полюсами таким образом, что поочередно замыкают через пластины коллектора секции, активные стороны которых в данный момент проходят нейтральную плоскость магнитного поля, т. е. когда .

Основные типы машин постоянного тока. В зависимости от способа соединения цепи возбуждения с цепью якоря машины постоянного тока подразделяют на машины с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. В некоторых случаях применяют независимое возбуждение от отдельного источника:

Рис. 6.16. Схемы включения обмоток возбуждения:

а – параллельное; б – последовательное; в – смешанное; г – независимое

Машины постоянного тока с параллельным и смешанным возбуждением используют как генераторы и электродвигатели, а машины с последовательным – только как электродвигатели. На рис. 6.16 показаны схемы соединения цепей возбуждения и цепей якоря для различных типов машин.

Генераторы постоянного тока. Генераторы, в которых обмотка возбуждения получает питание от якоря, называют генераторами с самовозбуждением.Основные номинальные параметры генератора – полезная мощность, отдаваемая в сеть, напряжение на зажимах, ток во внешней цепи и частота вращения – указываются в паспорте (на заводской табличке).

Источник