Машины переменного и постоянного тока

Трёхфазные обмотки.

Трехфазная обмотка состоит из трех идентичных частей – фаз (рисунок 4). ЭДС должны быть раны, но сдвинуты на электрический угол 120­⁰.

Рисунок 4 – Трехфазные обмотки

В первом случае q=2, 2p=2; во втором 2р=4, обмотка разбивается на 6 зон из q пазов. Последовательность разбивки: А_н, С_к, В_н, А_к, С_н, В_н, затем она повторяется (индекс к показывает конец фазы, индекс н – начало). ЭДС максимальна для катушки фазы А.

Для изображения обмоток применяют схемы развертки. Статор разворачивается в плоскости. Вертикальные линии – пазы с проводниками. Затем пазы разбивают по фазам и устанавливают границы полюсных делений. На каждом полюсном делении 3q пазов. Затем условно задается направление ЭДС в проводниках. ЭДС проводников под соседними полюсами имеют противоположное направление. Проводники, принадлежащие одной фазе, соединяют в катушки, затем катушки соединяют между собой таким образом, чтобы их ЭДС складывались, а лобовые части и межкатушечные соединения были как можно короче

Двухслойные обмотки.

В двухслойных обмотках имеется возможность выбора оптимального шага. У этих обмоток стороны катушек располагаются вверху и внизу соответствующих пазов, отстоящих друг от друга на расстоянии шага у. В схемах разверсток верхняя сторона обозначается сплошной линией, нижняя – пунктирной. Шаг обмотки укороченный у ≈ 0,8∙τ_π. Полюсное деление

 

,

где Z – число зубцов на статоре.

Число пазов на полюс и фазу

 

Если принять Z=24; 2р=4; q=2, то τ_π=6, у=0,8∙6 ≈ 5.

Обмотки делают петлевые и волновые

Улучшение формы кривой ЭДС.

В обмотке фазы кроме ЭДС первой гармоники индуцируется ЭДС от высших гармоник магнитного поля. ЭДС то высших гармоник определяется по формуле

, (13)

где f_ν=ν∙f₁ – частота ν-ой гармоники;

Ф_ν – магнитный поток ν-ой гармоники;

К_νy, К_рν – соответственно коэффициенты укорочения и распределения для ν-ой гармоники.

Число полюсов для ν-ой гармоники в ν раз больше, чем для первой. Поэтому электрические углы сдвига фаз между ЭДС для высших гармоник будут в ν раз больше, чем для первой. С учетом этого имеем

Результирующая ЭДС (действующее значение) фазы равно

.

Укорочение шага обмотки и распределение ее по пазам приводит к уменьшению ЭДС высших гармоник. При укорочении шага обмотки происходит более резкое уменьшение ЭДС высших гармоник. При укорочении шага на 1/ν часть полюсного деления в кривой ЭДС полностью исчезает ν-ая гармоника. При у=τ_n ЭДС пятой гармоники в проводниках обмотки под противоположными полюсами суммируются (рисунок 14). При у= ЭДС пятой гармоники в проводниках обмотки вычитаются. Поэтому пятая гармоника будет отсутствовать. При этом также уменьшаются ЭДС других гармоник.

Рисунок 14 – ЭДС пятой гармоники

При выборе шага обмотки стремятся, чтобы были полностью исключены и значительно ослаблены ЭДС наиболее сильно проявляемых гармоник. Это третья, пятая и седьмая гармоники. Третью гармонику в линейной ЭДС обычно уничтожают соединением трехфазной обмотки в звезду. Для ослабления пятой и седьмой гармоник шаг обмотки выбирают в пределах от до . При При

При увеличении числа пазов на q на полс и фазу сильно уменьшается коэффициенты распределения К_ρν. Это объясняется тем, что ЭДС катушек катушечных групп для ν-ых гармоник будут сдвинуты относительно друг друга на угол, в ν раз больший, чем для первой гармоники, вследствие чего их геометрическая сумма уменьшается.

Кривая результирующей ЭДС обмотки с большим q ближе к синусоиде. Однако при этом машина становится дороже. Обычно q=2…6.

Пульсации магнитного поля возникают вследствие зубчатого строения статора и ротора. Эти гармоники называются зубчатыми. Их порядок зависит от числа зубцов (рисунок 15).

 

Рисунок 15 – Зубчатое строение статора

 

Для уменьшения зубцовых гармоник в кривой ЭДС изменяют скос пазов или скос полюсов. Если скос выполняется на статоре, то он производится на одно зубцовое деление ротора, а если на роторе, то на одно зубцовое деление статора. При скосе пазов можно полностью уничтожить зубцовые гармоники. Физически это можно объяснить тем, что у зубцевых гармоник магнитное поле под зубцом и пазом имеет противоположную полярность. Вследствие этого в отдельных участках проводника, расположенного в скошенном пазу противоположного магнитного провода, индуцируются одинаковые по величине, но противоположно направленные ЭДС. Их сумма равна нулю (рисунок 16).

Рисунок 16 – Скос пазов

 

При скосе пазов уменьшается ЭДС первой гармоники. Это учитывается коэффициентом скоса К_ск. Для определения К_ск заменим проводник в скошенном пазу некоторым числом прямых проводников очень малой длины. Геометрическая сумма ЭДС этих малых проводников будет равна хорде окружности радиуса R, на которую опираются стороны угла γ_с (рисунок 17)

 

Коэффициент скоса К_ск равен отношению геометрической сумме ЭДС к арифметической

 

.

 

Для ν-ой гармоники

.

В общем случае ЭДС фазы определяется по формулам:

для общей гармоники

 

(14)

 

для ν-ой гармоники

(15)

где – обмоточные коэффициенты.

МДС катушек.

Ток в обмотке создает магнитодвижущую силу (МДС). Предположим, что на статоре двухполюсной машины размещена катушка с числом витков w_k и шагом у=τ_n. Ротор представляет собой цилиндр. Зазор между статором и ротором равномерный. Если в катушке синусоидальный ток , то он создает магнитное поле, как показано на рисунке 18.

Рисунок 18 – Магнитное поле катушки

МДС действует по замкнутому контуру, образованному магнитными силовыми линиями, и равна полному току, охваченному этим контуром. Все линии сцеплены с катушкой и полный ток для них равен i_k∙w_k. МДС по всей ширине катушки имеет одно и то же значение. Обе части машины относительно оси х-х симметричны, поэтому на каждую половину магнитной цепи приходится половина МДС катушки. Ее можно считать за МДС, приходящуюся на один полюс.

Распределение МДС на полюсных делениях показано на рисунке 19.

Рисунок 19 – Распределение МДС на полюсных делениях

Здесь катушки имеют прямоугольную форму. Для различных моментов МДС остается неподвижной в пространстве, но изменяет свое значение и направление

,

 

где – максимальное значение МСД катушки на одном полюсе.

Таким образом, при протекании по катушке переменного тока создается пульсирующая МДС. Обычно прямоугольную МДС заменяют суммой гармоник, причем только нечетных, т.к. кривая МДС симметрична относительно оси абсцисс.

МДС каждой гармоники также имеет пульсирующий характер. Для первой (основной) гармоники амплитуда будет равна

,

где F_k1 – амплитуда основной гармоники МДС катушки, образуемой током с амплитудой , определяемая соотношением .

Если ось катушки (х=0) принять за начало отсчета, то МДС первой гармоники в любой точке полюсного деления, расположенной на расстоянии х от оси катушки, будет равна

.

Это уравнение волны, пульсирующей по времени по синусоидальному закону и распределенной в пространстве также по синусоидальному закону.

Высшие гармоники МДС являются пространственными и имеют в ν раз больше число полюсов, чем первая гармоника. Поэтому полюсное деление ν-ой гармоники равно . С учетом этого МДС в ν-ой гармонике равна

,

 

где – амплитуда ν-ой гармоники МДС.

Высшие гармоники МДС стараются ослаби

МДС фазы.

Рассмотрим двухполюсную машину с однослойной обмоткой фазы, состоящей из q катушек с шагом у=τ_n и смещенных на одно зубцовое деление. Результирующая МДС катушечной группы (фазы) равна сумме прямоугольных МДС всех катушек. Результирующая МДС представляет собой ступенчатую фигуру, которая с увеличением q по форме приближается к синусоиде (рисунок 20). Если МДС катушек разложить в гармонический ряд, то результирующая МДС первой гармоники фазы будет равна сумме первых гармоник МДС катушек

,

где К_р1 – коэффициент распределения, определяемой по аналогичной формуле

.

 

Рисунок 20 – МДС катушек фазы

 

Двухслойные обмотки выполняются с укороченным шагом. Двухслойную обмотку можно представить как бы состоящей из двух однослойных обмоток с шагом у=τ_n, оси которых сдвинуты на электрический угол, равный (1-β)∙π рад (β=у/τ). Одна из этих обмоток располагается в верхнем слое, а другая – в нижнем. Каждая из однослойных обмоток создает МДС основной гармоники

.

Максимальное значение МДС первой гармоники фазы для двухслойной обмотки будет равно

,

где – коэффициент укорочения для первой гармоники. См. рисунок 21.

Рисунок 21 – Максимальное зачение МДС первой гармоники фазы

МДС первой гармоники можно определить по формуле

,

где для двухслойной обмотки с укороченным шагом и для однослойной обмотки.

Если имеется скос пазов, то вводится коэффициент скоса .

Первая гармоника МДС фазы неподвижна в пространстве, имеет синусоидальное пространственное распределение и пульсирует во времени с частотой протекающего по обмотке тока

.

В фиксированной точке х полюсного деления для любого момента времени первая гармоника будет равна

.

Коэффициента х отсчитывается от оси катушечной группы.

Для высших гармоник МДС имеем

где – максимальное значение МДС фазы для ν-ой гармоники;

– обмоточный коэффициент для ν-ой гармоники.

;

.

Для уменьшения МДС ν-ых гармоник и ее приближения к синусоиде обмотку фазы выполняют с укороченным шагом и распределяют ее по пазам

Машины переменного и постоянного тока

Типы электростанций: тепловые, гидравлические, атомные.

Создана единая энергетическая система. Дальние линии электропередач переменного тока напряжением 750–1150 кВ, постоянного тока напряжением 1500 кВ.

Электрическая энергия легко получается из механической и легко преобразуется в механическую. Для получения электрической энергии используются генераторы, напряжением 15–20 кВ. Для привода машин и механизмов используются электродвигатели напряжением 0,4, 6 и 10 кВ. Между генераторами и линиями электропередач, а также между линиями электропередач и потребителями используются трансформаторы.

Около 70 % электрической энергии используется для электропривода машин и механизмов, 30 % для электротехнологических процессов.

Индивидуальный однодвигательный привод. Индивидуальный многодвигательный привод.

Специальные электромашины: линейные, измерительные (в приборах, тахогенераторы), вращающиеся трансформаторы, сельсины, шаговые двигатели.

2 Основные этапы развития электромашиностроения

В основе работы электрических машин лежит закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем в 1831 г. В 1932 г были изготовлены первые генераторы постоянного тока, а в 1834 – первые электродвигатели (Якоби Б.С. в петербургской академии наук). Возбуждение от постоянных магнитов, с 1860 г электромагнитное возбуждение.

В 1878 г П.Н. Яблочков разработал установку однородного переменного тока для своих свечей. При этом был использован трансформатор, свойства которого были оценены позднее. В 1885 г???? 3??? Дери, Блате и Циперновский (фирма Ганц в Будапеште) сконструировали первый трансформатор с замкнутым сердечником и получили патент.

Система трехфазного тока была изобретена М.О. Доливо-Добровольским в 1889 г. В этом же году бал изобретен асинхронный двигатель. В 1891 г разработана установка для передачи электроэнергии на расстояние 170 км. Она демонстрировалась на Международной Электротехнической выставке во Франгфурте-на-Майне. Состав установки: генератор 200 кВт, трехфазная линия передач (170 км) напряжением 15 кВ и две понижающие подстанции. Потребители: АО с мощностью 75 кВт. После этого система трехфазного тока начала быстро развиваться и использоваться.

В 1901 г была изобретена электротехническая сталь, содержащая кремний, что позволило снизить размеры генераторов, трансформаторов и электродвигателей.

Вначале столетия на ТЭЦ использовали синхронные генераторы с приводом от паровых турбин. Дальше шло увеличение мощности генераторов, применение водородного охлаждения (1928–1937 гг). Для гидроэлектростанций разработали многополосные генераторы с охлаждением обмоток статора водой.

С 1910 г применяются трансформаторы с маслорасширителями, грузоупорные трансформаторы.

В начале столетия коллекторный АО, в 1916 г был изобретен синхронный двигатель.

Дальнейшее развитие электрических машин связано с расширением диапазона мощностей, применением новых электротехнических материалов расширением номенклатуры для различных потребителей.

В дореволюционной России электромашиностроение было развито крайне слабо. Электрические машины изготавливались в мастерских по чертежам и из деталей из-за рубежа. После революции был принят план развития отечественной электроэнергетики ГОЭРЛО, который был выполнен досрочно в 1931 г. К 1947 г СССР вышел на первое место в Европе и на второе место в мире по производству электроэнергии. Была построена большая сеть электромашиностроительных заводов: «Электросила» в Ленинграде «Электротехмаш» в Свердловске и т.п.

19 Принцип действия электрических машин и электромеханическое преобразование энергии.

Электрическая машина – это электромеханический преобразователь энергии. В основе принципа действия лежит закон электромагнитной индукции. При движении проводника в магнитном поле в проводнике индуцируется ЭД. (1)

 

Направление ЭДС определяется по правилу левой руки. При замыкании проводника во внешнюю цепь в нем течет ток i, имеющий такое же называние, что и ЭДС. При взаимодействии проводника с током с магнитным полем на проводник действует сила F_эм, направление которой определяется правилом левой ру

. (2)

Сила F_эм направлена навстречу силе F, которая приложена к проводнику для его движения. При равновесии

F_эм=F. (3)

Умножим на скорость м V_a

 

F_эм∙V_a=F∙V_a.

Вместо F_эм подставим ее значение из (2), а вместо V_a е значение из

Отсюда следует, что в генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую.

Если через проводник пропустить ток i от внешнего источника, то возникает электромагнитная сила F_эм, под действием которой проводник придет в движение со скорость V_a. Направление движения определяется по правилу левой руки. При перемещении проводника в нем наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Она направлена против тока i

 

Электрическая мощность преобрауется в механическую.

Конструктивная схема электрической машины: статор, ротор, подшипниковые щиты, подшипники. На статоре обмотка статора на роторе обмотка ротора. Обмотка, в которой индуцируется основная ЭДС, называется якорем. Она может быть как на статоре, так и на роторе. Другая обмотка называется обмоткой возбуждения.

Классификация электромашин:

– генераторы и электродвигатели;

– машины постоянного и переменного тока;

– МПТ с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением;

– машины переменного тока синхронные и асинхронные;

Все электромашины обратимые. Отдельное место занимают трансформаторы. В них происходит преобразование энергии одного назначения в другое. Подвижных частей нет, но протекают такие же электромагнитные процессы.