Электрические машины

Электрическая машина является электромеханическим преобразователем, в котором преобразуется механическая энергия в электрическую или электрическая энергия в механическую, т.е. устройство, работающее как генератор или как двигатель. Электрическая машина состоит из не вращающейся части – статора и вращающейся – ротора.

Электродвигатель это устройство, преобразующие электроэнергию в непрерывную механическую - вращательное движение. (Бывают и линейные электродвигатели).

В зависимости от рода отдаваемого или потребляемого тока электрические машины разделяются на машины переменного и постоянного тока. Машины переменного тока делятся в основном на: синхронные, асинхронные.

Синхронные машины применяются в качестве генераторов и двигателей.

В асинхронной машине поле создается в обмотке статора и взаимодействует с током, наводимым в обмотке ротора. Асинхронные машины применяются в основном в качестве двигателей.

Машина постоянного тока по своему конструктивному выполнению сходна с обращенной синхронной машиной, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения — на статоре. Большинство машин постоянного тока коллекторные. Они могут работать в качестве генераторов или двигателей.

Основные характеристики двигателей

Мощность (Р), обычно указывается активная мощность - Р(кВт);

nоб - число оборотов двигателя

nс – синхронная частота вращения двигателя (частота вращения магнитного поля в статоре связана с частотой переменного тока50Гц).

n_р - фактическая частота вращения ротора двигателя. Бывает, как правило, меньше синхронной частоты.

ПВ – продолжительность включения. Бывают устройства, в которых отдельные двигатели работают не постоянно, а короткое время, включаясь и выключаясь несколько раз в течение часа работы машины (например, механизм передвижения башенного крана). Для этих целей целесообразно использовать более дешевый электродвигатель, спроектированный на определенную небольшую продолжительность непрерывной работы (15%, 25%, 40% и т.д).

ПВ =(tр/tц) *100%; tр – время работы; tц – время цикла.

Качественной характеристикой двигателя, описывающей особенности работы двигателя, является «механическая характеристика». Она указывает, как работает двигатель под нагрузкой. Механическая характеристика может быть представлена графиком зависимости частоты вращения ротора электродвигателя от механической нагрузки – крутящего момента от нагрузки на валу двигателя.

nвр. – частота вращения.

n вр.

Мкр.нагр. –крутящий момент нагрузки.

На графике показаны: - абсолютно жесткая (а.ж.) характеристика (когда обороты двигателя под нагрузкой не меняются);

- жесткая (ж.) (когда обороты двигателя под нагрузкой уменьшаются линейно);

- мягкая (м.) (когда обороты двигателя под нагрузкой существенно уменьшаются по нелинейному закону).

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели по конструкции бывают: – с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым роторам отличаются простотой и надежностью (в них отсутствуют трущиеся контактные пары). Недостатки таких двигателей: большие пусковые токи (в момент включения скачок тока больше в 5-7 раз, чем установившейся ток) и пусковые крутящие моменты; проектируются двигатели, как правило, на одну частоту вращения ротора.

Конструктивно двигатель содержит: в статоре равномерно распределенные по его окружности обмотки фаз системы трехфазного тока, обеспечивающие при работе вращающееся магнитное поле; ротор таких двигателей состоит из медных стержней, размещенных по окружности, с торцов соединенных (замкнутых друг с другом) электропроводящими кольцами. По виду такой ротор напоминает беличью клетку (см. рис.)

Бывают конструкции и с наклонным расположением стержней относительно образующей цилиндра.

Схема асинхронной машины показана на рисунке. В схеме асинхронной машины и ее принципе действия есть сходство с трансформатором. Отличие заключается в том, что вторичная обмотка размещается на вращающемся роторе и не связана с внешней сетью. На схеме рис.12 - а) эта обмотка состоит из стержней, замкнутых накоротко, что соответствует двигателю с короткозамкнутым ротором, а в двигателях с фазным ротором она соединяется с внешними сопротивлениями — рис.12 - б).

Рис. 12. Схемы асинхронной машины:

а) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; 6) асинхронный двигатель с фазным ротором; 1 — обмотки статора, 2 — ротор с короткозамкнутыми стержнями, 2 — обмотки фазного ротора, 3 — контактные кольца, 4— сопротивления в цепи фазного ротора.

Обмотка статора равномерно распределена по его окружности. Обмотки фаз статора соединяются в звезду или в треугольник.

Двигатель работает следующим образом: система трехфазного тока, подводимая к обмоткам статора, создает в нем вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле, перемещаясь, будет индуцировать в стержнях ротора электрический ток. Этот ток будет вызывать вокруг стержней свое магнитное поле. Оно будет взаимодействовать с магнитным полем в статоре, и будет заставлять ротор следовать за ним, т. е. вращаться. Магнитное поле в стержнях будет «догонять» магнитное поле в статоре.

В таких двигателях синхронности не достигается, в нем присутствует отставание скорости вращения ротора от скорости вращения поля в статоре.

Таким образом, трехфазный ток проходя по трем обмоткам сдвинутым в пространстве на 120° образует синхронно вращающееся магнитное поле. Синхронная частота вращения поля определяется частотой тока в сети:

[об/мин],

где f - частота изменения тока, Гц;

p - число пар полюсов обмотки статора, которое определяется его конструкцией.

Учитывая, что частота тока равна 50 Гц, определим синхронные частоты вращения магнитного поля для различного числа пар полюсов р двигателя:

Т.о. изменяя число пар полюсов р можно дискретно изменять частоту вращения магнитного поля статора. Промышленностью выпускаются многоскоростные двигатели, в которых предусмотрена возможность переключения числа пар полюсов.

Асинхронные двигатели характеризуются синхронной частотой статора – nс. Чтобы выпускать двигатели с другой синхронной частотой они должны конструироваться с большим числом пар полюсов – т.е. обмоток в статоре, кратных трем.

Отставание частоты вращения ротора (n_p) в асинхронном двигателе от синхронной частоты вращения магнитного поля в статоре (nс) оценивается параметром S –скольжением.

S = (nс – nр) *100%/nс; S -скольжение, составляет величину от 1,5 до 7% и зависит от нагрузки на валу двигателя .

Трехфазные асинхронные двигатели с фазным роторам. Эти двигатели характеризуются меньшими пусковыми моментами и токами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. У них есть возможность некоторого плавного регулирование скорости вращения. Они применяются в механизмах, в которых опасна динамика (рывки) в момент включения.

По устройству двигатель с фазным роторам и принципу действия аналогичен двигателю с коротко замкнутым. Отличие: ротор конструируется не в виде «беличьей клетки», он содержит в себе систему трех обмоток, которые замыкаются через систему контактных пар не накоротко, а через переменные сопротивления (потенциометры – см. рис.).