Тема 2.1 Основы теории электрических машин.

Электрические машины переменного тока.

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

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

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

Рис. 6.1. Принцип действия асинхронного электродвигателя

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

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

Рис. 6.2. Устройство асинхронного электродвигателя:

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

5 – подшипниковый щит; 6 – щиток зажимов

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

Рис. 6.3. Схема размещения обмоток статора

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

Рис. 6.4. Устройство короткозамкнутой обмотки ротора

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

Рис. 6.5. Устройство фазного ротора

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

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

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

(6.1)

или

100%

(6.2)

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

– частота вращения ротора, об/мин;

– скольжение.

В начальный момент включения электродвигателя частота вращения ротора и .

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

		(6.3)
		(6.4)

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

– частота тока в статоре;

и – числа витков каждой фазы обмоток статора и ротора;

– магнитный поток двигателя;

и – обмоточные коэффициенты статора и ротора, зависящие от

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

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

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

(6.5)

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

В каждой фазе роторной цепи по закону Ома сила тока

(6.6)

где – активное сопротивление фазы ротора;

– индуктивное сопротивление фазы ротора.

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

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

(6.7)

где – вращающий момент, Н·м;

– магнитный поток двигателя, Вб;

– ток в одной фазе обмотки ротора, A;

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

– коэффициент, зависящий от конструктивных данных машины.

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

(6.8)

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

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

Частота вращения ротора

(6.11)

 

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

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

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

Электрические машины постоянного тока.

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

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

Рис. 6.13. Конструкция машины постоянного тока:

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

 

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

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

Рис. 6.14. Принцип действия машины постоянного тока

 

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

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

(6.15)

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

(6.16)

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

(6.17)

Здесь – э. д. с. якоря, В;

и – сопротивления нагрузки и якоря, Ом;

– напряжение на зажимах машины, В;

– коэффициент, зависящий от конструкции машины.

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

		(6.18)
		(6.19)

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

Рис. 6.15. График выпрямленного пульсирующего тока

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

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

Рис. 6.16. Схемы включения обмоток возбуждения:

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

 

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

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

ЛЕКЦИЯ 3