Электрические машины переменного тока » особенности и работа переменных электромашин. Электромагнитная машина для получения переменного токаЭлектрические машины переменного токаЭлектрические 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 c1,c2,c3, концы – c4,c5,c6. 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 Uл=660В по схеме звезда или в сеть с Uл=380В – по схеме треугольник. Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля. 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). 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. 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
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 кольца1, 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.
Рис. 6.3. Общий вид коротко- замкнутой обмотки типа «беличья клетка»
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.
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 N1 S1 помещен магнит NS. Если магнит N1 S1 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 N1 S1 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:
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 название). Поскольку частоты вращения ротора и магнитного поля 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.
Рис 6.8. Общий вид статора синхронного генератора. 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.
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. 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. infourok.ru 1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.Экзаменационные вопросы и ответы по дисциплине «Энергетические установки и электрооборудование судна», для курсантов 2-го курса «Судовождение», 3-й семестр. Электрические машины предназначены для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех электромашин основан на законе электромагнитной индукции и возникновении электромагнитной силы. При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого через внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в однородном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяющаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в проводнике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее величину — по формуле E=Blv sin а, (21) где В — магнитная индукция, характеризующая интенсивность магнитного поля; l — активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v — скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а — угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции. Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной: Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с. На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, необходимо приложить внешнюю силу, равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе. Из сказанного следует, что механическая мощность, затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, преобразуется в электрическую мощность в цепи проводника. В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной). Преобразование электрической энергии в механическую. При пропускании электрического тока одного направления через прямолинейный проводник, расположенный в однородном магнитном поле, возникает электромагнитная сила, под действием которой проводник перемещается в магнитном поле с линейной скоростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем индуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачивается на внутреннем сопротивлении проводника R. Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе основана работа электродвигателей. 2. Принципы получения переменного и постоянного тока.В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в генераторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях активные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического стального сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой силовые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а). Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вращать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом электромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индуктируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые. При переходе активных сторон через плоскость, перпендикулярную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через контактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.
Рис 23 Принцип получения переменного тока 1 — щетки. 2 — контактные кольца, 3 — стальной сердечник; 4 —рамка Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специальным устройством — коллектором. Простейший коллектор представляет собой два изолированных полукольца, к которым присоединяют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а). С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помощи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положение, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пересекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.
Рис 24. Принцип получения постоянного тока При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное положение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи направление тока не изменяется. График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию тока можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин. studfiles.net Электрические машины переменного токаМашины переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные. Асинхронные машины используются в основном, как двигатели. В режиме торможения они работают как генераторы. Синхронные машины переменного тока получили наибольшее распространение как трехфазные генераторы, в основном это все генераторы на современных электрических станциях. Трехфазные синхронные двигатели преимущественно применяются в качестве привода мощных производственных машин. Асинхронная машина– такая машина, в которой преобразование энергии осуществляется посредством вращающегося магнитного поля, возбуждаемого переменным током частотойf1, поступающим из сети. Основным принципом работы является то, что ротор вращается со скоростьюn2отличающейся от скорости вращения магнитного поляn1, называемой синхронной скоростью двигателя. В большинстве асинхронных двигателей магнитное поле создается системой трехфазного тока. При работе в качестве двигателя ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Если ротор с помощью первичного двигателя вращается быстрее, чем магнитное поле, то машина является генератором. Как в режиме двигателя, так и режиме генератора скорость вращения ротора асинхронной машины зависит от нагрузки. Неподвижная часть машины – статор, состоит из стального сердечника и расположенных на нем трех обмоток, оси которых сдвинуты на угол 120°одна относительно другой. Обмотки подключены к источнику трехфазного тока. Сердечник статора имеет форму полого цилиндра, вдоль внутренней поверхности которого, сделаны пазы. В диаметрально противоположных пазах статора уложены обмотки трех катушек. Если катушки статора соединить между собой в звезду или треугольник, то симметричная трехфазная цепь питания создает в магнитной системе машины вращающееся магнитное поле. Ротор, представляет собой цилиндрический сердечник, в диаметрально противоположных пазах которого, уложены короткозамкнутые витки. При вращении магнитного поля токов статора со скоростьюn1, в проводниках ротора наводится ЭДС. Под действием ЭДС в короткозамкнутых витках ротора протекает ток, взаимодействующий с вращающимся магнитным полем. Это взаимодействие проявляется в возникновении электромагнитных сил, действующих на ротор. Если электромагнитные силы, действующие на неподвижный ротор, превышают тормозной момент на его валу, то он получает ускоренное движение в направлении вращения магнитного поля. По мере возрастания скорости вращения ротора относительная скорость движения его проводников в равномерно вращающемся поле уменьшается, вследствие чего уменьшается и величина тока в них. Процесс изменения тока и скорости вращения ротора прекратится, как только наступит устойчивое равновесие между моментом электромагнитных сил, вызывающих вращение ротора, и тормозным моментом, создаваемым устройством, приводимым в движение электрической машиной. В этих условиях ротор машины будет вращаться с постоянной скоростью, отличной от скорости вращения поля. Таким образом, принцип работы асинхронных двигателей основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые наводятся этим полем в проводниках ротора. Одной из важнейших величин, характеризующих работу асинхронного двигателя, является скольжение ротора, под которым понимают отношение:
где: – частота вращения ротора; – частота вращения магнитного поля; – число пар полюсов двигателя. Для большинства современных типов асинхронных двигателей скольжение ротора при номинальной нагрузке заключено в пределах 2 – 6%. При отсутствии нагрузки, когда двигатель работает вхолостую, и вращению ротора препятствуют лишь незначительные силы трения, скольжение очень мало и не превосходит десятых долей процента. С увеличением нагрузки скорость вращения ротора уменьшается, а скольжение и вращательный момент соответственно увеличиваются. Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе аналогичны процессам, происходящим в трансформаторе. Обмотку статора двигателя можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а обмотку ротора - как вторичную. Особенностью двигателя по сравнению с трансформатором является то, что в его статорной и роторной обмотках действуют ЭДС и токи разных частот. Величины этих ЭДС определяются по формулам: ; , где: – ЭДС обмотки статора, – ЭДС обмотки неподвижного ротора, и– соответственно обмоточные коэффициенты обмоток статора и ротора, и– число обмоток статора и ротора, – основной магнитный поток, – частота тока цепи обмоток статора, – частота ЭДС ротора. Из этого соотношения следует, что частота ЭДС ротора пропорциональна скольжению. При неподвижном роторе , т.е частота тока и ЭДС ротора равна частоте ЭДС и тока статора и равна частоте питающего напряжения. Векторная диаграмма в этом режиме, называемым холостым ходом, аналогична соответствующей векторной диаграмме трансформатора. ЭДС во вращающемся роторе Индуктивное сопротивление вращающегося ротора:
Активное сопротивление ротора не зависит от частоты. По закону Ома ток в роторе равен:
Электрическая мощность, подведенная к двигателю из сети , преобразуется в нем в механическую. Преобразование энергии сопровождается потерями. Часть подводимой мощности тратится на потери в стали машины –и на нагрев обмотки статора. Остальная мощность электромагнитным путем передается на ротор и называется электромагнитной мощностью. Часть мощности, переданной на ротор, тратится на нагрев меди обмоток ротораи зависит от скольжения. Остальная часть мощности называется полной механической мощностью . Если из полной механической мощности вычесть механические потери и добавочные потери то получится полезная мощность на валу двигателя. КПД асинхронного двигателя: , где . Величина КПД асинхронных двигателей составляет от 0,7 до 0,9 и выше. Механическая мощность ротора: , где – вращающий момент двигателя. Электромагнитная мощность вращающегося магнитного поля:
Основные режимы работы асинхронного двигателя:
Рабочий режим двигателя при номинальной нагрузке характеризуется номинальными параметрами различными для каждого асинхронного двигателя. Основным номинальным параметром асинхронного двигателя является его номинальная мощность . Это мощность выражается в киловаттах и соответствует той наибольшей механической мощности на валу двигателя, которая может быть полезно отдана механизму, приводимого двигателем во вращение. Работа двигателя с нагрузкой превышающей его номинальную мощность, рассматривается как перегрузка и потому длительно не допустима. Вторым параметром двигателя является его номинальная скорость вращения . Важным электрическим параметром является напряжение, для которого предназначен двигатель . Номинальный ток двигателя устанавливается, исходя из номинальной мощности двигателя и номинального напряжения. К номинальным параметрам относят также номинальный коэффициент мощности двигателя. Номинальный момент часто вычисляют по упрощенной формуле, учитывая номинальные значения величин: (кГм.) или(Н·м.) Для расчета зависимости вращающего момента асинхронного двигателя от скольжения с достаточной точностью применяется упрощенная формула: , где: – максимальный вращающий момент, – критическое скольжение, при котором вращающий момент достигает своего максимального значения, его величина зависит от активного сопротивления цепи ротора. При известном номинальном скольжении критическое определяется по формуле:
Зависимость вращающего момента от его скольжения или, от скорости вращения ротора называют механической характеристикой двигателя. , при,. Для оценки рабочих свойств двигателя пользуются его рабочими характеристиками. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют кривые, характеризующие зависимость электромагнитного момента , тока статора, КПД, и коэффициента мощности на валуот полезной мощностина валу при неизменном напряжении и частоте питающего напряжения,. В зависимости от конструктивного выполнения роторной обмотки трехфазные асинхронные двигатели разделяются на два типа: При пуске двигателя с короткозамкнутым ротором скорость вращения ротора в первый момент , чему соответствует максимальное скольжение, двигатель находится в режиме короткого замыкания. Ток в роторе имеет наибольшее значение и наибольший сдвиг фаз по отношению к ЭДС. При этом пусковой ток статора в 4 – 10 раз больше номинального. Пусковой момент составляет 0,9 – 1,8 от номинального момента. По мере разгона двигателя величина пускового тока быстро уменьшается. Большая величина пускового тока вызывает резкие колебания напряжения в сети, что плохо отражается на работе других потребителей. При включении двигателей в мощные энергосистемы эти колебания нивелируются, поэтому используется прямой пуск - включением обмотки статора на полное напряжение цепи. Для уменьшения пускового тока асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяют способы, позволяющие понизить на время пуска напряжение, подводимое к статору: переключение обмотки статора со звезды на треугольник, запуск двигателя через автотрансформатор, включение дополнительного сопротивления в обмотку статора. При запуске двигателя через автотрансформатор уменьшение пускового тока в цепи произойдет враз, где- коэффициент трансформации автотрансформатора. Однако недостатком этих способов является уменьшение пускового момента, величина которого пропорциональна квадрату напряжения сети:. Асинхронный двигатель с фазным ротором пускается в ход с помощью пускового реостата, включенного последовательно с обмоткой ротора. Пусковые качества двигателей характеризуются коэффициентами кратности пускового тока и пускового момента. Частота вращения двигателя регулируется изменением частоты вращения магнитного поля (частоты питающего напряжения), переключением пар полюсов, изменением активного сопротивление фазного ротора с помощью трехфазного реостата, включаемого так же как пусковой. В синхронном двигателе частота вращения двигателя равна частоте вращения магнитного поля:. Основными характеристиками синхронного двигателя являются угловая, механическая и регулировочная. Угловая характеристика определяет зависимость вращающего момента от угла между ЭДС и напряжением:
где: – угол между векторами ЭДС и напряжения, т.е., – полное индуктивное сопротивление двигателя. На специальных электростанциях, покрывающих пиковые нагрузки в энергосистемах, синхронная машина работает генератором в часы максимума нагрузки и двигателем – в остальное время, перекачивая с помощью гидротурбины, которая теперь становится насосом, воду в водохранилище, создавая необходимый запас её для последующей работы. Такие агрегаты называют обратимыми. Синхронная машина состоит из двух частей: неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора и имеет две обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока и создает основное магнитное поле машины. Это обмотка возбуждения. Другая обмотка является обмоткой якоря и состоит из одной, двух или трех фаз. В обмотке якоря индуцируется основная ЭДС машины. В синхронных машинах наибольшее распространение получила конструкция, когда обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе. Особенностью синхронных машин является то, что ротор должен быть раскручен к моменту присоединения машины к сети переменного тока. При этом должны выполнятся следующие условия: переменный ток, протекающий через обмотку статора, должен быть таким, чтобы его взаимодействие с магнитным полем постоянного тока создавало силу требуемого направления, иначе, вместо того чтобы поддерживать вращение, электромагнитное взаимодействие будет ему препятствовать. Синхронные машины должны вращаться со строго определенной скоростью. Уменьшение скорости хотя бы на 1% приводит к тому, что изменения тока в обмотке переменного тока перестают соответствовать изменениям в положении обмотки постоянного тока, они как бы выпадают из такта, машина выпадает из синхронизма: обмотка постоянного тока подвергается усилиям, направленным то в одну, то в другую сторону, и машина останавливается. Постоянный ток, создающий магнитное поле в синхронной машине, называют током возбуждения. Чем больше ток возбуждения, тем больше напряжение, наводимое в машине. Пример.Определить мощность, подводимую к трехфазному асинхронному двигателю с фазным ротором, а также ток в обмотках статора при их соединении звездой и треугольником. Номинальные параметры двигателя: полезная мощность на валукВт, напряжение на статореВ,%,0,85. Решение.Активная мощность, потребляемая двигателем, равна: кВт. полная мощность: кВ·А. При соединении обмоток звездой: А, при соединении треугольником: А. Пример.Для привода лифта использован трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, питающийся от трехфазной сети с частотой напряженияГц (рис.6.15), с числом пар полюсови частотой вращения ротора. Определить частоту вращенияивращающегося магнитного поля, скольжениеротора, частотутока в роторе при пуске и в рабочем режиме, а также частоту вращения ротора, частоту токав роторе при возрастании нагрузки на валу двигателя, с учетом того, что частота вращения роторапри этом уменьшилась на 5% и составляет. Рис.6.15. Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, питающийся от трехфазной сети. Решение.Частота вращения магнитного поля (синхронная частота вращения) при числе пар полюсов: об/мин. Угловая частота вращения магнитного поля: рад/с. Скольжение ротора двигателя: . Частота вращения ротора двигателя: об/мин, . Частота тока в роторе двигателя при пуске : Гц. Частота тока ротора при частоте вращения двигателя: Гц. Частота вращения ротора при возросшей нагрузке на валу двигателя: об/мин. Скольжение ротора при возросшей нагрузке: . Частота тока ротора при возросшей нагрузке: Гц. Пример.Для пуска восьмиполюсного асинхронного двигателя с фазным ротором и номинальными параметрами:об/мин;иОм используется пусковой реостат. Определить сопротивлениефазы пускового реостата, чтобы при пуске двигатель развивал максимальный момент, если частота напряжения сетиГц. Решение.Номинальное скольжение определяется по формулам: ,, согласно которым об/мин и . Критическое скольжение равно: . Пусковое сопротивление определяется из соотношения: , отсюда: Ом. Пример.Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет следующие паспортные данные:В,кВт,об/мин,%,. Кратность пускового тока, частота напряжения питанияГц. Определить число пар полюсов, номинальный и пусковой токи двигателя при соединении обмоток статора в треугольник и звезду. Решение.Ближайшая стандартная синхронная частотаоб/мин, следовательно, число пар полюсов, т.е. машина шестиполюсная. Скольжение равно: , мощность, потребления двигателя: кВт, номинальный момент: Н·м. При соединении обмоток треугольником номинальный ток: А, пусковой ток: А. При соединении обмоток звездой: А, пусковой ток: А, т.е. пусковой ток в этом случае в раз меньше. Пример.Синхронный шестиполюсный двигатель имеет следующие номинальные данные:кВт,об/мин,В,А,Ом. Определить номинальный и максимальный моменты двигателя, если ЭДС двигателя равна 670 В. Построить угловую характеристику двигателя. Решение.Номинальный момент определяется по формуле: . Максимальный момент при равен: . Подставляя исходные данные, получаем: . Исходная зависимость для угловой характеристики имеет вид . Например, при номинальном моментеи. studfiles.net Электрические машины переменного тока » их особенности и работа.
Тема: особенности и работа электрических машин переменного тока.
Из самого названия понятно, что отличительной особенностью данного рода электрических машин является то, что они функционируют на переменном токе. Если при постоянном токе электрические заряженные частицы перемещаются только в одном направлении, и могут в определённом диапазоне менять свою интенсивность (величина разности потенциалов, напряжение), то у переменного тока появляются новые характеристики — такие как частота, её форма и т.д. Что естественным образом влияет на непосредственную конструкцию и принцип действия электрической машины. В статье разберём основные особенности и работу электрических машин переменного тока.
Электромашины переменного тока представляют собой электротехнические устройства, которые являются своеобразными преобразователями электрической энергии, в основе принципа действия которых лежат силы Лоренца и явление электромагнитной индукции, работающие на переменном токе. К таким электромашинам относятся много разновидностей — электродвигатели, электрогенераторы, сельсины, трансформаторы. Итак, двигатели и генераторы по принципу действия разделяются на синхронные и асинхронные. Что бы было ясно дальнейшее объяснение хочу сказать о следующем.
Главной особенностью электрических машин переменного тока, что электрическую энергию преобразуют в механическую или наоборот, является взаимодействие магнитных полей, одно из которых является вращающимся, динамическим (получаемое в силу работы переменного тока — циклические изменения силы тока и напряжения, как по величине, так и по полюсам), а другое поле в определённом смысле статическое, постоянное. Следовательно, для получения движения ротора движущееся магнитное поле должно действовать на постоянное поле, что и порождает механическое движение вала машины. Это ближе к электродвигателям, у генераторов работа проходит по иному принципу. Есть два различных принципа работы переменных электромашин (двигателей и генераторов) — синхронные и асинхронный.
Общий принцип работы асинхронной электрической машины переменного тока заключается в следующем. Разберём классический вариант трёхфазника. Имеются на статоре три обмотки, к которым подключают три электрические фазы. Из электротехники известно, что трёхфазный ток представляет собой циклическое изменение величин тока и напряжения плавно перетекающее по кругу (обычная плавно меняющаяся синусоида). То есть, максимум электрической мощности плавно переходит из одной точки, обмотки в другую, естественно на противоположной стороне круга будет минимум мощности. Так вот при подачи трёхфазного напряжения на три обмотки статора асинхронного электродвигателя мы имеем вращающееся магнитное поле, частота которой равна 50 Гц (стандартная производственная частота).
Из электрофизики также известно, что при помещении электрического проводника в переменное магнитное поле на его концах появляется разность потенциалов, а если его замкнут (соединить концы), потечёт ток, который образует вокруг себя своё магнитное поле. Вот это и используется в асинхронных электрических машинах. Внутри машины расположен короткозамкнутый ротор (является упрощённой обмоткой). Во вращающемся магнитном поле на нём наводится ЭДС и у него появляется собственное магнитное поле, что и отталкивается от поля статора. Учтите, что поле на короткозамкнутом роторе может возникнуть только в силу некоторого отставания одного поля от другого, по этому и называются эти машины асинхронными.
У синхронных машин подобного отставания нет. Там поле индуктора (статического, постоянного магнитного поля) как бы цепляется за вращающееся поле якоря (подвижное, динамическое поле), что и ведёт к синхронной работе магнитных полей. Если в асинхронниках статическое поле является следствием работы динамического, то в синхронниках в определённом смысле причины появления вращающегося полями и поля статического независимы друг от друга, но их взаимодействие и позволяет осуществлять работу электрической машины переменного тока.
P.S. О конкретных электромашинах и их работе мы поговорим в более развёрнутой форме и других статьях, а это был общий обзор и поверхностное ознакомление с темой электрических машин переменного тока. electrohobby.ru § 6.7. Краткая теория и примеры1. Электрические машиныЭлектрические машины представляют собой электромеханические устройства, в которых происходят преобразования энергии. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую, в двигателях – электрическая энергия в механическую. Каждая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в качестве двигателя и генератора. По роду тока электрические машины подразделяются на машины переменного тока и машины постоянного тока. Электрические машины постоянного токаЭлектрическая машина постоянного тока (рис.6.10) состоит из неподвижной части – статора (1), подвижной части – якоря (2) и щеточно-коллекторного узла (3). В соответствии с законом электромагнитной индукции, при вращении якоря в магнитном поле полюсов в обмотке якоря наводятся переменные ЭДС, т.е. ЭДС индукции наводится в витках, движущихся в неподвижном магнитном поле. Статорявляется механическим остовом машины. Станина изготавливается из литой стали. На станине укрепляются основные магнитные полюса, которые служат для создания магнитного потока, и вспомогательные - для улучшения коммутации в машине. Главный полюс состоит из сердечника, укрепленного на станине болтами, и обмотки возбуждения, т. е. представляет собой электромагнит. Сердечник полюса изготавливается из листовой стали и на свободном конце снабжается полюсным наконечником, для создания требуемого распределения магнитного поля в воздушном зазоре машины. Электромагниты (полюсы) создают в машине постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитное поле. Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис.6.10. Верхний полюс является южным, нижний - северным. Показанная магнитная система имеет одну пару полюсов. Рис. 6.10. Машина постоянного тока Существуют и более сложные магнитные системы, содержащие два северных и два южных полюса. В этом случае направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным находился южный полюс и т.д. Такая магнитная система имеет две пары полюсов. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным. В современных электрических машинах малой мощности возбуждение осуществляется постоянными магнитами. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Электрические машины с постоянными магнитами более технологичны, их производство легко автоматизировать. Якорьмашины постоянного тока представляет собой стальной зубчатый сердечник, в пазах которого расположены витки обмотки. Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь. При вращении якоря магнитный потокосцепление будет меняться. В результате в каждом из витков будет возникать переменная ЭДС. Во всех витках, расположенных по одну сторону нейтральной линии, ЭДС будут иметь один и тот же знак. Нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно, на нейтральной линии, расположенной симметрично относительно северного и южного полюсов. Обмотка якоря является замкнутым контуром, но тока в нем не возникает, т. к. сумма мгновенных значений ЭДС всех последовательно соединенных витков обмотки равна нулю (машина симметрична). Если на геометрическую нейтраль установить неподвижные щетки и создать скользящий контакт между щетками и обмоткой, то обмотка будет представлять собой две параллельные ветви, в каждой из которой будут проводники с одинаково направленными ЭДС. Иначе говоря, получаем два параллельных источника ЭДС, состоящих из группы проводников, в каждый момент времени оказывающихся под южным и северным полюсом соответственно. При этом в каждой из обмоток индуктируется переменная ЭДС, а напряжение на зажимах машины постоянно. Если обмотку якоря через щетки замкнуть на сопротивление нагрузки, то в цепи возникнет ток, складывающийся из токов ветвей. Осуществление скользящего контакта между щетками и обмоткой якоря возможно при удалении изоляции на узкой полосе наружной поверхности обмотки, когда щетки касаются оголенных проводов. В действительности же (в современных конструкциях) щетки касаются медных клинообразных пластин, собранных в цилиндр – коллектор, установленный на валу машины.Пластины коллектора изолированы друг от друга и от вала и соединяются с обмоткой якоря проводниками. Отвод тока от коллектора осуществляется гибким кабелем через щетки, установленные в щеткодержателях. Электрическая машина постоянного тока, как и другие машины, представляют собой два электромагнитно связанных контура, причем намагничивающая сила (НС) одного из этих контуров поддерживает основное магнитное поле. Этим контуром в машине постоянного тока является обмотка возбуждения машины, а вторичным контуром - обмотка якоря. Пока во вторичном контуре нет тока, этот контур не оказывает влияния на магнитное поле, создаваемое первичным контуром. Но как только в якоре появляется ток, то в магнитной цепи машины возникает дополнительная НС, искажающая и магнитный поток машины. Это явление получило название реакции якоря. Из-за реакции якоря происходит снижение ЭДС машины, некоторое снижение главного магнитного потока, а также ухудшаются условия коммутации машины. Для компенсации реакции якоря между основными полюсами устанавливают дополнительные полюсы, токи обмоток которых создают магнитный поток, противоположный магнитному потоку якоря. Обмотки дополнительных полюсов последовательно соединяют с обмоткой якоря, с тем, чтобы с увеличением тока якоря увеличивалось их компенсирующее действие. Потери мощности в электрических машинах невелики и составляет 5 – 15% преобразуемой мощности. В целях увеличения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание, при изготовлении машин используют специальные сорта стали. Машины постоянного тока изготавливаются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах – от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту. Все электрические машины постоянного тока обратимы: могут работать в режимах генератора и электродвигателя. Цепь возбуждения и цепь якоря в машинах постоянного тока по отношению к сети могут быть включены различными способами. По способу возбуждения генераторы постоянного тока подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и на генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением, например, рис.6.11,а) цепь возбуждения питается от независимого постороннего источника, которым может служить другая машина постоянного тока или аккумулятор. У генераторов с самовозбуждением цепь возбуждения питается непосредственно от самого генератора. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением делятся в свою очередь на генераторы с параллельным возбуждением, генераторы с последовательным возбуждением и генераторы со смешанным возбуждением. Для регулирования ЭДС машины достаточно менять ток в цепи возбуждения с помощью регулировочного реостата, который включается последовательно с обмоткой возбуждения. У генераторов с параллельным возбуждениемрис.6.11,б) цепь возбуждения подключается к щеткам якоря генератора параллельно внешней цепи:
где: – ток якоря, – ток нагрузки, – ток возбуждения. У генераторов с последовательным возбуждениемобмотка возбуждения соединяется последовательно с цепью якоря и с цепью внешней нагрузки. У генераторов со смешанным возбуждениемрис.6.11 в) имеются две обмотки возбуждения: одна включается параллельно, а другая последовательно с внешней цепью. ЭДС якоря машины постоянного тока пропорциональна скорости вращения якоря и магнитному потоку полюса машины:
где:– постоянная, зависящая от конструктивных данных машины, – частота вращения якоря, – результирующий магнитный поток, – число пар полюсов статора, – число активных проводников обмотки якоря, – число пар параллельных ветвей обмотки. Из этого выражения видно, от чего зависит в машине постоянного тока величина ЭДС и каким путем можно ее регулировать. В машине, работающей в режиме генератора, скорость вращения остается при работе постоянной, поэтому регулирование ЭДС генераторов осуществляется изменением магнитного потока путем изменения тока возбуждения. При работе машины в режиме двигателя скорость вращения изменяется при изменениях механической нагрузки. Кроме того, регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока производится путем изменения тока возбуждения. Рис.6.11. Генераторы постоянного тока с: а) независимым возбуждением, б) параллельным возбуждением, в) смешанным возбуждением. В генераторах постоянного тока происходит преобразование механической мощности вращения ротора:
где: – вращающий момент на валу ротора с якорной обмоткой, – частота вращения ротора. в электрическую мощность:
где: – ЭДС якорной обмотки, – ток в якорной обмотке. В нагрузке, подключаемой к якорной обмотке через коллектор, выделяется мощность КПД генератора находится как:
Где – суммарная мощность потерь. Напряжение на выводах генератора: , где: – сопротивление цепи якоря, приведенное к рабочей температуре обмотокt=+750С. К основным характеристикам генераторов постоянного тока относятся: Все двигатели постоянного тока могут быть отнесены к группе машин постоянного тока с независимым возбуждением. Различают двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря, при этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого. В двигателях постоянного тока происходит преобразование электрической мощности в электромагнитную , а затем в механическую мощность вращения якоря. Вращающий (электромагнитный) момент двигателя и частота вращения определяются выражениями: , где: . Независимо от способа возбуждения уравнение электрического состояния цепи якоря имеет следующий вид:
Учитывая, что получим уравнение частотной характеристики двигателя. , К основным характеристикам двигателей относятся: рабочие ,,,или и механическаяприU = соnstи Iв = соnst. Наиболее важные режимы работы двигателей: пуск в ход, регулирование частоты вращения, торможение и реверсирование. Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата Rn, включаемого в цепь якоря (рис.6.12.). При этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого значения. Рис.6.12. Двигатели постоянного тока с: а) параллельным возбуждением, б) последовательным возбуждением, в) смешанным возбуждением. Частота вращения двигателя регулируется тремя способами:
Существует три способа электромагнитного торможения двигателей постоянного тока:
Пример.Для двигателя постоянного тока независимого возбуждения заданы следующие номинальные параметры:кВт;В;об/мин;%;Ом;. Определить номинальный ток якоря, ЭДС и вращающий момент двигателя, магнитный поток одного полюса и электромагнитную мощность. Решение. Так как в паспорте на двигателе указывается номинальная механическая мощность, то потребляемаякВт.Ток якоря находим (при параллельном возбуждении) из соотношенийА. ЭДС определяем по формуле: ; В. Электромагнитная мощность: кВт. Вращающий момент двигателя: , а магнитный поток: . Окончательно: Вб и. Пример.Для двигателя параллельного возбуждения заданы следующие номинальные параметры:В,Ом,об/мин,А. Определить вращающий момент двигателя при токеА и постоянном напряженииВ. Построить рабочую характеристикув пределах от 0 до. Решение.Рабочую характеристикуможно рассчитать, по формуле: . Частота вращения также зависит от тока якоря . Окончательно получаем: . Подставляем исходные данные, находим расчетное уравнение: . График зависимости в диапазоне изменения тока от 0 доприведен на рисунке 6.13. Рис.6.13. График зависимости M=f(Iя). При заданном в условии токе А момент равен. Пример. Определить номинальный момент на валу, номинальные суммарные потери мощностии номинальный КПДэлектродвигателя постоянного тока типа П62 с параллельным возбуждением при номинальном режиме работы, если номинальные данные, указанные на его щитке: полезная мощность на валукВт, напряжениеВ, частота вращенияоб/мин, ток, потребляемый из сети,А. Решение.Номинальный момент на валу электродвигателя: . Номинальная мощность, подведенная к электродвигателю из сети: Вт. Номинальные суммарные потери мощности в электродвигателе: кВт. Номинальный КПД электродвигателя: или. Пример.Генератор параллельного возбуждения имеет следующие данные:В,А,А иОм. Построить внешнюю характеристику генератора в режимах холостого хода и короткого замыкания. Решение.На основании выражений: , можно найти исходную расчетную зависимость, учитывая, что ЭДС является функцией тока возбуждения , а ток возбуждения зависит от напряжения генератора. Таким образом, ток нагрузки в данном случае определяется из соотношения: или. Для того чтобы воспользоваться универсальной магнитной характеристикой, необходимо знать, что ее аргумент и функция находятся по соотношениям: ,. С их помощью расчет сводится к линейным преобразованиям ,, где номинальное значение ЭДС: В и проводимость якорной цепи Ом-1. В соответствии с полученными выражениями ток якоря равен нулю при: . По универсальной магнитной характеристике это соответствует значению аргумента или напряжениюВ. При коротком замыкании, т.е. при напряжении, равном нулю, ток А. График внешней характеристики генератора приведен на рисунке. Рис.6.14. График внешней характеристики генератора. studfiles.net 25. Применение электромагнитных устройств постоянного и переменного тока в технике. Понятие об электромагнитных устройствах и магнитных цепяхРабота многих электротехнических устройств основана на использовании индукционного и силового действия магнитного поля. Индукционное действие магнитного поля состоит в том, что в катушке, пронизываемой переменным магнитным потоком, а также в проводнике, движущемся относительно магнитного поля, индуктируется ЭДС. На использовании индуктированных ЭДС основан принцип действия генераторов, трансформаторов, многих приборов контроля, управления и автоматизации производственных процессов. Силовое действие магнитного поля заключается в том, что на электрические заряды, проводники с токами и детали из ферромагнитных материалов, находящиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы. Использование силового действия магнитного поля лежит в основе принципа действия электродвигателей, электромагнитов, многих электроизмерительных приборов и электротехнических аппаратов. С помощью электромагнитных сил осуществляется управление движением заряженных частиц в электронно-лучевых трубках, электронных микроскопах, ускорителях заряженных частиц. Электротехнические устройства, принцип действия которых основан на использовании индукционного или силового действия магнитного поля, называются электромагнитными. Для получения требуемой ЭДС или силы в электромагнитном устройстве должно быть создано магнитное поле определенной интенсивности и направленности действия. С этой целью в каждом электромагнитном устройстве имеется магнитная цепь (магнитная система), состоящая из магнитопровода, выполняемого в общем случае из различных ферромагнитных материалов, и одной или нескольких намагничивающих обмоток. Чтобы многие электромагнитные устройства могли выполнять те функции, на которые они рассчитаны, в их магнитопроводы приходится вводить воздушные зазоры. В некоторых электромагнитных устройствах вместо намагничивающих обмоток используются постоянные магниты. С помощью намагничивающих обмоток, по которым во время работы устройства пропускаются токи, либо с помощью постоянных магнитов в пространстве возбуждается магнитное поле. При этом ферромагнитный материал магнитопровода намагничивается, в результате чего магнитное поле магнитопровода значительно усиливается и становится намного более интенсивным, чем поле вне магнитопровода. Поскольку магнитное поле оказывается сосредоточенным в основном в магнитопроводе, можно, придавая ему соответствующую конфигурацию, сконцентрировать магнитное поле в нужном объеме электромагнитного устройства. Значительное усиление магнитного поля за счет свойств ферромагнитного материала позволяет (при заданной интенсивности магнитного поля) намного уменьшить ток, мощность, габаритные размеры и массу намагничивающих обмоток, а также массу и стоимость постоянных магнитов, используемых иногда вместо намагничивающих катушек. В зависимости от назначения и технических данных электромагнитных устройств их магнитные цепи бывают весьма разнообразными и отличаются родом тока, конструктивными особенностями, габаритными размерами, а следовательно, и массой.
На рис. 6.1 в качестве примера показаны магнитные цепи некоторых электромагнитных устройств. Цифрой 1 обозначены ферромагнитные части магнитопроводов, цифрой 2 — воздушные зазоры, цифрой 3 — намагничивающие катушки, цифрой 4 — постоянный магнит. Различают магнитные цепи с намагничивающими обмотками для возбуждения магнитного поля (рис. 6.1, а — д) и с постоянными магнитами (рис. 6.1, е), неразветвленные (рис. 6.1, б, е) и разветвленные (рис. 6.1, а — д), с одной (рис. 6.1, б — д) и несколькими (ряс. 6.1, а) намагничивающими обмотками, симметричные (рис. 6.1, а, г, д) и несимметричные (рис. 6.1, в), с однородным и неоднородным магнитопроводом. Симметричной считается магнитная цепь, ветви которой, расположенные по обе стороны от линии аb, проведенной через узловые точки разветвления потоков, выполнены из одинаковых материалов и имеют одинаковые геометрические размеры. В том случае, когда в указанных ветвях имеются намагничивающие обмотки, дополнительным условием симметрии являлся равенство из магнитодвижущих сил (МДС) (см. § 6.2). Если одно из указанных условий не выполняется, магнитная цепь считается несимметричной. Магнитопровод считается однородным, если он на всем протяжении выполнен из одного и того же ферромагнитного материала и имеет одинаковую площадь поперечного сечения. Магнитными цепями с постоянной МДС называются цепи, магнитный поток которых возбуждается намагничивающими обмотками, питаемыми постоянным током, либо постоянными магнитами. 29. Идеализированная катушка с ферромагнитным сердечником в цепи синусоидального тока. studfiles.net Электрические машины постоянного и переменного тока - Физика - Каталог статей«Электрические машины постоянного и переменного тока» Производство электроэнергии является достаточно легким процессом, а электродвигатели могут служить для различных целей - от бурения скважин до обеспечения движения поездов. (Облака - естественные генераторы электричества. В результате внутреннего трения облака могут наэлектризоваться. В итоге изоляция воздуха может нарушиться, что приведет к электрическому разряду, направленному к земле в виде гигантских искр - молний.) Введение Материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, складываются из электрически заряженных частиц - протонов и электронов. Еще древние греки знали, что если потереть янтарь кусочком ткани, он будет притягивать легкие предметы, но не понимали причину происходящего. На самом деле в результате трения возникало электричество . Обычно в любом веществе находится равное количество отрицательно и положительно заряженных частиц. Поэтому их электрические заряды уравновешены, а вещество нейтрально. Однако в результате трения некоторые электроны перемещаются с одного материала на другой. Как следствие, нарушается равновесие зарядов: материал, притянувший электроны, становится отрицательно заряженным, а материал, отдавший их - положительно заряженным.
(В машине Уимсхерта металлические пластины на вращающихся стеклянных дисках заряжаются электростатической индукцией, что в итоге приводит к искрению.)
Заряженные предметы Термины «электрон» и «электричество» произошли от греческого словаelektron, означающего «янтарь». Хотя греки сделали важный шаг в направлении крупного открытия, первая машина, способная вырабатывать электричество, была изобретена лишь ок. 1650 г. в Германии. Отто фон Герике создал простую машину, включавшую большой шар из серы. При касании рукой шара, насаженного на вал и вращаемого с помощью ручки, тот заряжался в результате трения. К 21 в. были изобретены многие подобные фрикционные генераторы. В основе работы другого типа генератора лежал принцип электромагнитной индукции - процесса, при котором предмет заряжается от находящегося поблизости другого заряженного предмета. Такие асинхронные генераторы накапливают индуцированные заряды для получения высокого напряжения. Подобная машина, изобретенная Джеймсом Уимсхерстом в 1883 г., по-прежнему используется в лабораторных опытах для получения напряжения до 50000 вольт, а иногда и выше.
(Ток, индуцированный в роторе короткозамкнутого электродвигателя, намагничивает его и заставляет поворачиваться вместе с окружающим его вращающимся полем.) Мощные электромашины
В 1931 г. Ван-де-Грааф изобрел электростатический генератор широкого практического применения. Движущаяся лента из диэлектрика передает на металлический шар заряд, постепенно увеличивающийся до нескольких миллионов вольт. Генератор Ван-де-Граафа используется при испытаниях изоляторов и другого оборудования, рассчитанного на высокие напряжения, а также в ядерных исследованиях, при этом высокое напряжение служит для разгона заряженных субатомных частиц. Хотя фрикционные и асинхронные машины могли создавать высокое напряжение, они не годились для выработки сильного постоянного тока. Данная проблема была решена в конце 1790-х гг., когда итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первую батарею . Впоследствии она была усовершенствована, что позволило, начиная с конца XIX в., использовать электричество для освещения .Хотя батареи являются удобным и многоцелевым источником электроэнергии, они постепенно разряжаются и нуждаются в замене или подзарядке. Эксперименты, проведенные в начале XIX в., привели к созданию современных генераторов.
(Синхронный двигатель, создающий вращающиеся магнитное поле, за которым следует ротор - как один магнит следует за другим.)
Эрстед и Ампер В 1819 г. датский профессор Ханс Эрстед сделал открытие: текущий по проводу электрический ток заставлял отклоняться стрелку магнитного компаса. Так Эрстед открыл явление электромагнетизма - магнетизма, создаваемого электричеством. В 1821 г. французский ученый Андре Ампер продемонстрировал связанное с этим механическое взаимодействие токов: при пропускании электрического тока через провод, находящийся рядом с мощным магнитом, наблюдалось перемещение провода, - и установил закон этого взаимодействия. Этот принцип лежит в основе электрического двигателя: преобразование электрической энергии в механическую. Опыты Ампера были чрезвычайно интересны, но не имели практического применения. Провод просто немного сдвигался при появлении тока. Но в том же году английский ученый Майкл Фарадей создал машину, которая с помощью электричества обеспечивала длительное движение. Нижний конец подвешенного провода помещался в сосуд с ртутью, в центре которого находился стержневой магнит. При подключении батареи между верхним концом провода и ртутью провод начинал вращаться вокруг магнита.
(У линейного, как и у асинхронного двигателя, статор открыт и вытянут в линию. Здесь вместо вращения ротора металлическая пластина перемещается вдоль этой линии непосредственно над магнитным полем.) Электромагнитная индукция Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции, названное им «электрическим вращением », легло в основу принципа работы современных электродвигателей. Первый электродвигатель, нашедший практическое применение, был изобретенизобретен в 1837 г. американским инженеромТомасом Давенпортом. Он использовал два таких двигателя: для работы сверлильного и деревообрабатывающего станков. Изучив электричество как движущую силу, Фарадей начал искать пути преображение образования механической энергии в электрическую. В 1831 г. он показал, что перемещение стержневого магнита возле проволочной катушки вызывало прохождение электротока через подключенный к ней измерительный прибор. При этом сила тока была намного выше, чем в случае одинарного провода.
(Двигатель постоянного тока изменяет направление тока ротора для поддержания его вращения.)
Электроснабжение Фарадей первым использовал электромагнитный эффект для производства электричества. К концу 1870-х гг. появились мощные генераторы, а в 1881 г. заработала первая электростанция в Годалминге (Англия). Она же стала и первой в мире гидроэлектростанцией , так как генератор приводился в движение водяной мельницей.У электрических двигателей и генераторов много общего, и некоторые машины могут выполнять функции обоих. В простом электродвигателе проволочная катушка крепится на валу, что позволяет ей свободно вращаться между полюсами подковообразного постоянного магнита. Катушка играет роль электромагнита, намагничиваясь при прохождении через нее электрического тока. Находящийся внутри катушки железный сердечник усиливает создаваемый магнитный эффект.
(Генераторы переменного тока на ГЭС работают от гидроприводных турбин. Показанные здесь турбины установлены на одной из ГЭС в Шотландии.)
Двигатели постоянного тока Электрический ток от батареи или другого источника, движущийся только в одном направлении, называется постоянным током. Если батарея подключена ккатушке простого электродвигателя, катушка намагничивается, при этом на противоположных ее концах возникают два полюса - отрицательный и положительный. Поскольку противоположные полюсы взаимно притягиваются, северный и южный полюсы катушки стремятся, соответственно, к южному и северному полюсам постоянного магнита. Эти силы притяжения заставляют катушку вращаться вокруг своей оси, и вскоре ее полюсы располагаются у противоположных полюсов постоянного магнита.Однако в этот момент автоматическое переключающее устройство (коллектор) направляет ток в противоположную сторону. Коллектор простого электродвигателя постоянного тока состоит из медного кольца, разрезанного пополам и крепящегося (с прокладкой из диэлектрика) на оси ротора. Концы катушки подключаются к двум половинкам кольца. Ток проходит через катушку и попадает на пару угольных контактов - щеток, касающихся противоположных сторон коллектора.При вращении ротора каждая щетка поочередно взаимодействует с обеими сторонами катушки.Автоматическая коммутация Благодаря автоматической коммутации магнитные полюсы катушки изменяются на противоположные при достижении полюсов постоянного магнита. Теперь они уже не разноименные, а одноименные полюсы по отношению к ближайшим полюсам магнита. Так как одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюсы притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита. Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная - статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок катушки служит ротором, а постоянный магнит - статором.В некоторых двигателях для создания магнитного поля вместо постоянного магнита служит электромагнит. Витки проволоки такого электромагнита называютсяобмоткой возбуждения. (Фарадей использовал подобный прибор, чтобы показать, что при перемещении магнита возле катушки возникает электрический ток.)
Двигатели переменного тока
Переменный ток периодически меняет направление, обычно 50 или 60 раз в секунду. Некоторые двигатели переменного тока имеют ротор , на который ток подавался через коллектор, как в двигателях постоянного тока. Но у многих двигателях этого типа вообще нет соединений с ро ром. Их действие основано на принципе индукции. Проходящий через статор ременный ток создает вращающееся магнитное поле, как было бы в случае вращения постоянного магнита. Это движущееся поле заставляет ток течь в направлении обмоток ротора, намагничивая его. В результате ротор вращается, так как его полюсы вынуждает двигаться по кругу вращающееся вокруг ротора магнитное поле. Часто ротор состоит из медных и алюминиевых стержней, концы которых соединяют два металлических кольца. Ротор в сборе похож на клетку, и кие машины называют двигателя с «беличьей клеткой», или короткозамкнутыми двигателями.
(На большинстве электростанций используются паровые турбины для работы генераторов переменного тока. Тепло, необходимое для превращения воды в пар, можно получать с помощью ядерной реакции или путем сжигания топлива.)
Синхронные двигатели
В индукционных (асинхронных) двигателях ротор вращается медленнее, чем движущееся вокруг него магнитное пол< синхронных двигателях ротор поворачивается одновременно с полем. В простых синхронных двигателях ротор состоит из одного или нескольких постоянных магнитов. Их полюсы притягиваются к одноименным полюсам вращающегося iмагнитного поля, поэтому они вращают одинаковой скоростью. Иногда вместо постоянных магнитов в роторах используются электромагниты, но принцип боты остается неизменным. В другом из синхронных двигателей используют скачки переменного тока для создания магнитного поля, которое пошагово вращает ротор с зубчатым колесом.Большинство электродвигателей со ют вращательное движение. Но у некоторых из них обмотки статора открыты и расположены на одной линии, благо/ чему создается магнитное поле, движущееся линейно вместе с проводниковым материалом. Такие двигатели называются линейными асинхронными. Они используются для открывания раздвижных дверей, транспортировки багажа в аэропортах, в скоростных поездах.
Генераторы Если ротор простого электродвигателя постоянного тока вращать вручную, двигатель будет работать как генератор. В катушке возникает переменное напряжение, достигающее пиковых величин, когда ее полюсы проходят полюсы постоянного магнита. Затем напряжение падает до нуля и меняет свое направление, достигая максимума, когда полюсы катушки проходят противоположные полюсы постоянного магнита. Можно подключиться к катушке, соединив концы двух сплошных медных колец (называемых контактными кольцами), находящихся на оси ротора. Угольные щетки трутся об эти кольца и снимают переменное напряжение, в результате чего пои подключении к электрической цепи возникает переменный ток. Такой генератор относится к генераторам переменного тока, т. е. электрическим машинам, вырабатывающим переменный ток.
(У стационарного генератора переменного тока три отдельных обмотки статора, в которых вырабатывается электричество. Переменный ток в каждой обмотке достигает пиковой величины в разное время. Автомобильный генератор (внизу) соединен с двигателем ремнем, проходящим через приводной шкив.)
Динамо-машины Если же используется коллектор (как в электродвигателе постоянного тока), он постоянно будет изменять соединения между катушкой и щетками, что препятствует переменам напряжения в катушке. В результате, вместо переменного тока по щеткам будет протекать пульсирующий постоянный ток. Генераторы, вырабатывающие постоянный ток таким образом, называются динамо-машинами. В большинстве динамо-машин для создания необходимого магнитного поля используется не постоянный, а электромагнит. Однако сердечник электромагнита немного намагничен, и силы его поля достаточно, чтобы машина начала вырабатывать электричество при включении. Затем часть выработанного тока проходит через обмотку электромагнита для усиления его магнитного поля и увеличения объема электроэнергии. Некоторые генераторы переменного тока (например, автомобильные) вырабатывают постоянный ток благодаря встроенным выпрямителям - устройствам, допускающим течение тока только в одном направлении. В большинстве генераторов переменного тока - от служащих для подзарядки аккумуляторов автомобилей до гигантских машин, вырабатывающих электричество для питающей сети - катушки имеются и на роторе, и на статоре, причем именно ротор создает магнитное поле. Относительно слабый ток проходит через обмотки возбуждения на роторе по щеткам и контактным кольцам, а более сильный вырабатываемый ток отбирается непосредственно со статора. Это позволяет избежать потерь мощности и искрения, возможных при отборе сильного вырабатываемого тока с ротора посредством колец и щеток.
ingenious.ucoz.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
