Общие понятия об электрических машинах.

Тема Общие понятия об электрических машинах.

Вопрос 1. Определение электрических машин. Виды, назначение, классификация, принцип действия электрических машин.

Электрические машины – это агрегаты и механизмы, в которых происходит преобразование механической работы в электрическую энергию, или электрической энергии в механическую работу.

Все электрические машины делятся на генераторы и электродвигатели.

Электрический генератор – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую. Электрический генератор предназначен для производства электрической энергии.

Электродвигатель - это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Электродвигатель предназначен для выполнения механической работы.

Принцип обратимости электрических машин - электрическая машина в зависимости от внешних условий может работать как в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя.

Электрические генераторы, в зависимости от устройства токосъемного узла и, соответственно, вырабатываемого тока, подразделяются на:

• генераторы постоянного тока;

• генераторы переменного тока.

Электрические двигатели в зависимости от вида потребляемого тока также подразделяются на:

• электродвигатели постоянного тока;

• электродвигатели переменного тока.

Для возбуждения генератора по его обмотке возбуждения необходимо пропустить ток, называемый током возбуждения.

Генераторы постоянного тока в зависимости от способа возбуждения (образования магнитного потока) подразделяются на:

• генераторы с независимым возбуждением (от внешней АКБ или другого генератора);

• генераторы с самовозбуждением.

Генераторы постоянного тока в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения генератора с обмоткой якоря и внешней цепью подразделяются на:

• генераторы с параллельным возбуждением;

• генераторы с последовательным возбуждением;

• генераторы со смешанным возбуждением.

Электрические двигатели постоянного тока в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря и внешней цепью также подразделяются на:

• электродвигатели с параллельным возбуждением;

• электродвигатели с последовательным возбуждением;

• электродвигатели со смешанным возбуждением.

Генераторы переменного тока в зависимости от отношения скорости вращения ротора частоте переменной ЭДС подразделяются на:

• синхронный генератор (частота переменной ЭДС в генераторе переменного тока пропорциональна скорости вращения ротора);

• асинхронный генератор (скорость вращения ротора изменяется не пропорционально частоты переменной ЭДС в генераторе).

Электрические двигатели в зависимости от принципа использовании вращающегося магнитного поля также подразделяются на:

• синхронный электродвигатель;

• асинхронный электродвигатель.

Асинхронные электродвигатели, в зависимости от способа изготовления ротора, подразделяются на:

• электродвигатель с короткозамкнутым ротором;

• электродвигатель с фазным ротором.

Генераторы и электродвигатели в принципе имеют одинаковую конструкцию – ротор и статор.

Генератор состоит из:

• магнитной системы;

• якоря с рабочей обмоткой;

• коллектора;

• щёток со щёткодержателями;

• вспомогательных частей.

Магнитная система служит для создания необходимого магнитного потока и состоит из полюсных сердечников с полюсными башмаками, полюсных катушек (катушек возбуждения) и станины (ярма).

Магнитная система в зависимости от мощности изготавливается с различным числом полюсов. Чтобы привести магнитную систему в рабочее состояние, надо вызвать в ней сильный магнитный поток. Процесс этот называется возбуждением генератора.

На полюсных сердечниках крепятся полюсные катушки. Соединённые по определённой схеме, они образуют обмотку возбуждения.

Полюсные сердечники изготавливаются из тонких листов электротехнической стали с большой проницаемостью или (при малой мощности) отливаются как одно целое с ярмом.

Для уменьшения магнитного сопротивления цепи рабочая обмотка генератора размещается на стальном цилиндре, который заполняет собой всё пространство между пластинами. Этот цилиндр с помещённой на нём обмоткой называется якорем.

Якорь служит одновременно как для размещения на нём обмотки, так и для уменьшения сопротивления цепи генератора. Состоит из стального сердечника и обмотки.

Для уменьшения нагрева сердечника вихревыми токами он, как и полюсные наконечники, делается не сплошным, а собирается из отдельных изолированных одна от другой пластин, обычно зубчатой формы.

Коллектор служит для выпрямления переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря. Состоит из медных пластин.

Вал якоря после сборки коллектора и якоря устанавливается в подшипники, расположенные в передней и задней крышках генератора.

Щётки – для отвода ЭДС, создаваемой генератором. Изготавливаются из прессованного угля. Рабочая поверхность щёток точно притирается.

Вопрос 2. Генераторы, электродвигатели постоянного и переменного тока. Общие правила эксплуатации электрических машин.

Принцип действия генератора постоянного тока.

У генераторов постоянного тока концы рамки присоединены не к двум сплошным кольцам, а к двум изолированным друг от друга половинам одного кольца. Кроме того, контактные щётки скользят не по двум кольцам, а по одному (коллектор). Щётки на таком коллекторе должны быть расположены так, чтобы они при вращении рамки одновременно переходили с одного полукольца на другое как раз в те моменты, когда ЭДС, индуктированная в каждой стороне рамки, равна нулю, т. е. когда рамка проходит свое горизонтальное положение. С помощью коллектора переменная ЭДС, индуктируемая в рамке, выпрямляется и во внешней цепи создаётся постоянный по напряжению ток.

Увеличивая число проводников (витков) генератора и соответственно число коллекторных пластин, можно добиться того, что пульсация тока будет очень малой, т. е. ток по величине станет практически постоянным. Обладают малой мощностью.

Генераторы постоянного тока

Для возбуждения генератора по его обмотке возбуждения необходимо пропустить ток, называемый током возбуждения.

По способу возбуждения существуют два типа генераторов: с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

С независимым возбуждением питание обмотки возбуждения производится от постороннего источника электрической энергии (чаще от АБ) или от другого генератора постоянного тока.

С самовозбуждением питание обмотки осуществляется от самого генератора, принцип действия основан на явлении остаточного магнетизма. Мягкая литая сталь обладает некоторым остаточным магнетизмом. Поэтому полюсные сердечники, на которых расположена обмотка возбуждения, являются постоянными магнитами. Поэтому когда генератор не работает, его магнитная система создаёт слабый магнитный поток. При начале вращения якоря на щётках генератора возникает небольшая ЭДС, соединив щётки генератора с обмоткой возбуждения, в ней возникает ток возбуждения, который усилит остаточный магнитный поток полюсов, а, следовательно, ЭДС якоря возрастает.

Реакция якоря. При вращении якоря в поле электромагнитов и замкнутой внешней цепи по обмотке якоря проходит ток, т.е. генератор работает с нагрузкой. Вокруг якоря образуется магнитное поле, которое влияет на поле полюсов, что приводит к необходимости смещать щётки генератора на некоторый угол по ходу вращения генератора для уменьшения искрения между щётками и коллектором.

Напряжение генератора постоянного тока:

U

U=E-I₂R₂

E – ЭДС якоря;

I_z – ток в якоре;

R_я – сопротивление якоря.

Мощность генератора постоянного тока:

P=IU

I – ток во внешней цепи;

U – напряжение на зажимах генератора.

Генераторы постоянного тока с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения генератора соединена параллельно с обмоткой якоря и внешней цепью (мощный магнитный поток при небольшом токе возбуждения). Возбуждается при разомкнутой внешней цепи.

Г енераторы постоянного тока с последовательным возбуждением

Обмотка возбуждения генератора соединена последовательно с обмоткой якоря и внешней цепью (мощный магнитный поток при большом токе возбуждения). Возбуждается при замкнутой внешней цепи, с увеличением нагрузки увеличивается ток возбуждения, следовательно, увеличивается ЭДС генератора. Боится коротких замыканий.

Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением

Одна обмотка включена параллельно с обмоткой якоря и внешней цепью, другая – последовательно. Параллельно – служит для создания основного магнитного потока полюсов, последовательно – для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора при увеличении нагрузки.

Принцип действия генератора переменного тока

У генератора переменного тока нет коллектора, а вместо него на валу укреплены контактные кольца. Он также имеет магнитную систему и якорь. Позволяет обмотку якоря размещать на неподвижной части – статоре, а полюсы с обмоткой возбуждения на вращающейся части – роторе. Поэтому генераторы переменного тока изготавливаются большой мощности и имеют большую скорость вращения якоря. Трудно получить хороший контакт между кольцами и щётками генератора, если его рабочая обмотка вращается.

Для возбуждения генератора требуется относительно малая мощность, поэтому обмотка возбуждения может быть вращающейся, т.к. устройство скользящего контакта не вызывает затруднений.

Для обмотки возбуждения требуется отдельный источник электрической энергии.

Наибольшее распространение получили трёхфазные генераторы. Три самостоятельные обмотки расположены по окружности относительно друг друга под углом 120⁰.

Электрические двигатели постоянного тока

Генераторы и электродвигатели имеют одинаковую конструкцию. Но к рамке с током подводится питание от постороннего источника электрической энергии.

Н аправление вращения якоря электродвигателя определяется по правилу правой руки. Если требуется изменить направление вращения якоря, необходимо пересоединить его обмотки так, чтобы ток изменил свое направление или в якоре или в обмотке возбудителя. Обычно изменяется направление вращения якоря, осуществляется изменением направления тока в якоре. Как и генераторы, электродвигатели постоянного тока бывают трёх типов: с последовательным, с параллельным, или со смешанным возбуждением.

Если включить электродвигатель с параллельным возбуждением сразу на полное напряжение сети, ток якоря мгновенно достигнет значительной величины, т.к. сопротивление якоря очень мало и по закону Ома величина очень большая.

Ток якоря зависит только от механической нагрузки электродвигателя.

Для безыскровой работы коллектора электродвигателя его щётки должны быть передвинуты с геометрической нейтрали в сторону противоположную направлению вращения якоря электродвигателя.

Скорость вращения якоря электродвигателя прямо пропорциональна приложенному к зажимам напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку.

Изменив скорость вращения якоря двигателя посредством изменения напряжения сети сложно и невыгодно, т. к. для погашения части напряжения потребовались бы большие реостаты, расходующие значительную энергию. Кроме того, таким способом практически невозможно увеличить скорость вращения выше номинальной, т. к. это потребовало бы увеличения напряжения сети выше номинального, что нельзя осуществить простыми способами.

Обычно для регулирования скорости вращения электродвигателя изменяют магнитное поле, усиливая или ослабляя последнее, для чего в цепь возбуждения включают регулировочный реостат. Чем больше сопротивление реостата в цепи возбуждения, тем слабее магнитное поле и, следовательно, тем больше скорость вращения якоря двигателя, и наоборот.

Электродвигатель с параллельным возбуждением.

Последовательно с якорем электродвигателя включается пусковой реостат, а последовательно с обмоткой возбуждения – регулировочный реостат.

Пусковой реостат служит для уменьшения пускового тока, пока якорь не достиг нормального числа оборотов.

Регулировочный реостат служит для изменения тока в обмотке возбуждения, а, следовательно, для изменения магнитного потока, что необходимо для регулировки скорости вращения якоря электродвигателя.

Пусковой реостат при пуске электродвигателя полностью вводится, а регулировочный реостат полностью выводится. Таким образом, при пуске электродвигателя значительный вращающий момент будет достигнут за счёт меньшего пускового тока в якоре и за счёт наибольшего магнитного потока.

Свойства электродвигателя:

• электродвигатель может работать вхолостую (без внешней нагрузки), при этом обмотка возбуждения должна быть подключена к полному напряжению сети;

• вращающий момент электродвигателя пропорционален току якоря, т.к. магнитный поток остаётся постоянным;

• ток, потребляемый электродвигателем из сети, прямо пропорционален нагрузке двигателя.

Электродвигатель с последовательным возбуждением

Весь ток, потребляемый электродвигателем, проходит через якорь и через обмотку возбуждения. Ввиду этого магнитный поток не остаётся всё время постоянным, а изменяется с изменением тока якоря и, следовательно, зависит от нагрузки.

При одном и том же моменте сопротивления (нагрузки) двигатель с последовательным возбуждением потребляет из сети значительно меньший ток.

При пуске электродвигателя под нагрузкой, когда ток в якоре больше номинального, электродвигатель развивает большой пусковой момент. Скорость вращения якоря электродвигателя зависит от нагрузки.

При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения в якоре и возрастает магнитный поток, поэтому скорость вращения якоря электродвигателя резко падает.

При уменьшении нагрузки скорость вращения якоря увеличивается. При отсутствии нагрузки двигатель идёт «вразнос».

Регулировка скорости вращения якоря электродвигателя производится регулировочным реостатом, включённым в цепь якоря.

Свойства электродвигателя:

• с изменением нагрузки скорость вращения якоря резко изменяется;

• электродвигатель можно пускать в ход лишь при наличии нагрузки;

• при пуске в ход, а также при перегрузках двигатель развивает большой вращающий момент;

• ток, потребляемый из сети, с увеличением нагрузки увеличивается в меньшей степени, чем при параллельном возбуждении.

Электродвигатель со смешанным возбуждением

Применяются в качестве тяговых двигателей в трамваях, электровозах, в подъёмных кранах.

Занимают промежуточное положение. Их характеристика более похожа на характеристику двигателя с параллельным возбуждением. При отсутствии нагрузки (при холостом ходе) электродвигатель работает как двигатель с параллельным возбуждением. Обмотка, включённая последовательно в цепь якоря, введена для того, чтобы электродвигатель лучше брал с места, т. е. чтобы обладал большим пусковым моментом.

Асинхронные двигатели

Принцип действия двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.

На полюсах стального сердечника кольцевой формы (статора) помещены три обмотки, расположенные одна относительно другой под углом 120⁰. Внутри сердечника укреплён на оси металлический цилиндр – ротор электродвигателя.

Если эти обмотки соединить звездой или треугольником и подключить их к сети трёхфазного тока, то общее магнитное поле, создаваемое тремя полюсами, окажется вращающимся.

Суммарный магнитный поток будет изменять своё направление с изменением направления тока в обмотках статора. Вращающееся магнитное поле будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим, таким образом, асинхронный двигатель (вращается несинхронно магнитному полю).

Если поменять местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитное поле изменит направление своего вращения на обратное. Изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.

Если три обмотки, то магнитное поле двухполюсное и число оборотов в одну секунду равно числу оборотов изменения тока в одну секунду:

f – частота тока в секунду;

p – число пар полюсов статора.

Устройство асинхронного двигателя:

Статор изготавливается с невыраженными полюсами, т. е. внутренняя поверхность статора, делается гладкой. Сердечник статора набирается из тонких штампованных листов электротехнической стали и крепятся в чугунном или стальном корпусе. В пазы статора закладывается обмотка из медной проволоки или из медных стержней. Фазовые обмотки статора соединяются «звездой» или «треугольником».

В короткозамкнутых двигателях ротор выполняется из медных стержней, закладываемых в пазы ротора, а торцы стержней соединяются при помощи медного кольца. Медные стержни в пазах не изолируются.

Способы пуска таких двигателей:

1. Подключением трёхфазного напряжения сети непосредственно к статору при помощи трёхполюсного рубильника.

2. Снижением напряжения, подводимого к обмотке статора.

Достигается введением реостата в цепь статора, или переключением обмоток статора со «звезды» на «треугольник», наиболее распространён при пуске мощных двигателей.

П уск двигателя производится при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора соединяются «треугольником».

Величина тока в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть обмоток статора, соединением «треугольника».

При соединении «звездой» напряжение на каждой из них (фазовое напряжение) меньше линейного в 1,73 раза, а, следовательно, во столько же раз меньше ток в обмотке (фазовый ток).

При соединении обмоток «треугольником» фазный ток меньше линейного также в 1,73 раза, следовательно, при пуске двигателя линейный ток при соединении «звездой» меньше линейного при соединении «треугольником» в 3 раза.

Фазный двигатель является обычно двигатель большой мощности и создаёт большое усилие при трогании с места. Достигается это включением в обмотки фазного двигателя пускового реостата.

Синхронные электродвигатели

Синхронные двигатели могут работать в качестве генератора. Изготавливаются для трёхфазного и однофазного токов.

Состоят из ротора с полюсами, на которые намотана обмотка возбуждения, питающаяся постоянным током. Статор имеет трёхфазную обмотку, к которой подключается питание от сети трёхфазного переменного тока.

Принцип действия:

Полюсы ротора при пропускании по их обмоткам постоянного тока намагничиваются. Если обмотку статора подключить к сети трёхфазного тока, то в статорной обмотке создаётся вращающееся магнитное поле, полюсы которого вращаются с синхронной скоростью.

Число пар полюсов у статора и ротора должно быть одинаково. Ротор синхронного двигателя должен вращаться со строго постоянной скоростью, равной скорости вращающегося магнитного поля статора, т. е. синхронно.

Два способа пуска ротора:

• введение в синхронизм ротора от постороннего электродвигателя;

• асинхронный пуск, т. е. двигатель, пускается в ход как асинхронный, а когда скорость вращения ротора станет близкой к синхронной, к нему подключается для питания постоянный ток и двигатель входит в синхронизм.

Изменение направления вращения ротора производится переключением любой пары фаз ротора.

Применяется в технике, когда требуется получить строгое постоянство скорости вращения при изменении механической нагрузки, причём допускается пуск двигателя без нагрузки.