Классификация электрических машин

Введение

XXI век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. Все это действует не без помощи электричества и электропривода.

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса.

 

Асинхронный электропривод

 

Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

Впервые явление, названное магнетизмом вращения, продемонстрировал французский физик Д. Ф. Араго (1824). Он показал, что укрепленный на вертикальной оси медный диск начинает вращаться, если вращать над ним постоянный магнит. Спустя 55 лет, 28 июня 1879, английский ученый У. Бейли получил вращение магнитного поля поочередным подключением обмоток 4 стержневых электромагнитов к источнику постоянного тока. В работах М. Депре (Франция, 1880—1883), И. Томсона (США, 1887) и др. описываются устройства, основанные также на свойствах вращающегося магнитного поля. Однако строгое научное изложение сущности этого явления впервые, практически одновременно и независимо друг от друга, было дано в 1888 итальянским физиком Г. Феррарисом и хорватским инженером и ученым Н. Тесла.

Двухфазный асинхронный электродвигатель, был изобретен Н. Тесла в 1887, публичное сообщение об этом изобретении он сделал в 1888. Распространения этот тип асинхронного двигателя не получил главным образом из-за плохих пусковых характеристик. В 1889 М. О. Доливо-Добровольский испытал сконструированный им первый в мире трехфазный асинхронный двигатель, в котором применил ротор типа «беличье колесо», а обмотку статора разместил в пазах по всей окружности статора. В 1890 Доливо-Добровольский изобрел фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами). Через 2 года им же была предложена конструкция ротора, названная «двойной беличьей клеткой», которую, однако, стали широко применять только с 1898 благодаря работам французского инженера П. Бушеро, представившего асинхронный электродвигатель с таким ротором, как двигатель со специальными пусковыми характеристиками.

Конструктивное оформление асинхронного электродвигателя, их мощность и габариты зависят от назначения и условий работы.

Например, двигатели с воздушным и водяным охлаждением (общего применения); герметичные, маслонаполненные (для электробуров) и взрывобезопасные (для работы в шахтах, взрывоопасных помещениях и др.); пыле-, брызгозащищенные (для применения в морских условиях и тропическом климате) и т. д. Некоторые виды асинхронных двигателей (например, шаговые, для следящих систем, схем автоматики и телемеханики, со ступенчатой регулировкой скорости и пр.) разрабатываются и выпускаются комплектно с блоками управления и пускозащитной аппаратурой, с встроенными редукторами. Трехфазные асинхронные электродвигатели сравнительно с однофазными обладают лучшими пусковыми и рабочими характеристиками. Основные конструктивные элементы асинхронных двигателей: статор — неподвижная часть (рисунок 2а) и ротор — вращающаяся часть (рисунок 2б,в). В соответствии со способом выполнения роторной обмотки асинхронного мотора делятся на двигатели с контактными кольцами и короткозамкнутые. Воздушный зазор между статором и ротором у асинхронного электромотора делается по возможности малым (до 0,25 мм). Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты вращения магнитного поля статора и определяется частотой питающего тока и числом пар полюсов двигателя [2].

Рисунок 2 – Схема асинхронного двигателя [3].

 

При пуске асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, сила которого превышает силу номинального тока в 4—7 раз. Поэтому прямое включение в сеть применяется только для моторов мощностью до 200 кВт. Более мощные асинхронные электромоторы с короткозамкнутым ротором включают сперва на пониженное напряжение, чтобы сила пускового тока снизилась в 3—4 раза. С этой же целью применяют пуск асинхронного двигателя через автотрансформатор, включенный на время пуска последовательно с обмоткой статора. Силу пускового тока двигателей с фазным ротором ограничивают пусковым сопротивлением в цепи ротора, которое в процессе разбега ротора постепенно уменьшают. После запуска асинхронного электродвигателя обмотку ротора замыкают накоротко. Для уменьшения потерь на трение и износа щеток их обычно поднимают щеткоподъемным приспособлением, которое перед этим замыкает накоротко обмотку ротора через кольца.

Частоту вращения асинхронного электромотора регулируют в основном изменением числа пар полюсов, сопротивления, включенного в цепь ротора, изменением частоты питающего тока, а также каскадным включением нескольких машин. Направление вращения асинхронного электромотора изменяют переключением любых двух фаз обмотки статора.

Асинхронный электродвигатель благодаря простоте в производстве и надежности в эксплуатации широко применяют в электрическом приводе. Основные недостатки асинхронного двигателя — ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности в режиме малых нагрузок. Создание регулируемых статических полупроводниковых преобразователей частоты существенно расширяет область применения асинхронного двигателя в автоматических регулируемых электроприводах [3].

 

Синхронный электропривод

Важным достоинством синхронных машин является их способ­ность экономичного генерирования и потребления реактивной мощ­ности, так как они возбуждаются постоянным током. Поэтому они используются как генераторы на электростанциях, а также как компенсаторы. В специальных приводах синхронные машины используются и в качестве двигателей. Из-за наличия системы воз­буждения электромагнитные процессы в синхронной машине слож­ны, и еще сложнее эти процессы протекают в случае применения двух обмоток возбуждения, дающих возможность существенно улучшить рабочие свойства машины, повысить ее устойчивость, энергетические показатели [12].

Схема неявнополюсной синхронной машины основного исполнения представлена на (рисунке 3). Обмотка якоря 1 расположена в пазах статора, а об­мотка возбуждения 2— на роторе. Демпферной обмоткой являются пазовые клинья и стальной массивный ро­тор 3. Мощность возбуждения состав­ляет несколько процентов мощности машины, поэтому в этом исполнении щеточный аппарат работает надежно, а так как в обмотке возбуждения про­текает постоянный ток, для его подво­да требуются два кольца и две щетки.

Рисунок 3 – Схема синхронного двигателя [1]

Переходные процессы в ЭП с СД отличаются большим разнообразием и сложностью. Они возникают при пуске и торможении (остановке) СД, при синхронизации его с сетью, увеличении (набросе) снижении (сбросе), механической нагрузки, регулировании тока в возбуждения, изменении напряжения питающей сети, вызываемом в т числе и короткими замыканиями в электрических сетях и линиях электропередач. Изучение этих переходных процессов представляет собой сложную задачу. Определяется это тем, что СД имеет несколько обмоток — статора, возбуждения и пусковую, обтекаемые переменным и постоянным токами, которые магнитно связаны друг с другом и в процессе работы двигателя непрерывно меняют расположение относительно друг друга. Кроме того, во многих случаях необходимо учитывать и взаимодействие СД и питающей сети [1].

В общем случае переходные процессы в синхронном ЭП являются электромеханическими, т. е. процессы в электрической и механической частях ЭП связаны друг с другом и имеют, как правило, колебательный характер [4].

Коллекторный двигатель

Наибольшее распространение среди трех­фазных коллекторных двигателей получили трехфазные коллекторные двигатели с парал­лельным возбуждением с двойным комплектом щеток, например двигатель Шраге—Рихтера (рисунок 6). Этот двигатель был предложен в 1910 г. почти одновременно Шраге и Рих­тером.

Рисунок 6 – Двигатель Шраге-Рихтера

 

Конструкция двигателя Шраге—Рихтера сходна с конструкцией асинхронного двигате­ля с фазным ротором. Отличие состоит в том, что в пазах ротора располагается вторая многофазная обмотка, секции которой выво­дятся на коллектор. Двигатель позволяет ре­гулировать частоту вращения в широких пре­делах за счет введения в цепь вторичной об­мотки добавочной ЭДС ±ΔE.

Трехфазное напряжение сети через щетки и кольца подводится к фазной обмотке рото­ра 1. В пазах ротора располагается вторая обмотка 2 – двухслойная, многофазная, секции которой выведены на коллектор 3. На коллекторе находятся три пары щеток, к ко­торым подключены три фазы обмотки стато­ра 4. Обмотка статора — обычная двухслой­ная или однослойная обмотка, расположен­ная в пазах. Конструкция машины — обра­щенная, вторичная обмотка расположена на статоре, а напряжение подводится к ротору.

Магнитное поле, созданное обмоткой ро­тора в воздушном зазоре, вращается в сторо­ну, противоположную вращению ротора, и наводит в обмотке статора ЭДС скольжения f₁=f₂s. С обмотки ротора 2, выведенной на коллектор через щетки, также снимается ЭДС скольжения f₁=f₂s. Амплитуда этой ЭДС за­висит от того, насколько раздвинуты щетки (рисунок 5). Когда щетки занимают положение, показанное (рисунок 7а), ΔЕ вычитается из ЭДС E₁, наводимой в обмотке статора. Когда положения щеток совпадают (рисунок 7б), ΔE=0. При положении щеток, показанном на рисунке 7в, ЭДС ΔE складывается с E₁.

Рисунок 7 – Положение щёток коллекторного двигателя

 

Если ΔE вычитается, ЭДС Е₁ уменьшает­ся, что приводит к уменьшению тока I₁ и снижению частоты вращения. Когда ΔE=0, двигатель работает как асинхронный двига­тель. При положении щеток, соответствующем рисунку 7в, ΔE складывается с Е₁ и частота вращения становится выше синхронной. Пере­мещение щеток по коллектору осуществляется механизмом, который вращается вручную или с помощью приводного двигателя.

Введение добавочной ЭДС в цепь стато­ра позволяет регулировать и реактивную мощ­ность [1].

Введение

XXI век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. Все это действует не без помощи электричества и электропривода.

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса.

 

Классификация электрических машин

Электрические машины — электро­механические преобразователи — можно разделить на три класса: ин­дуктивные электрические машины, в которых рабочим полем является маг­нитное поле; емкостные электро­механические преобразователи, в которых преобразование электрической энергии в механическую и обратно осуществля­ется электрическим полем, и индуктив­но-емкостные электро­механические преобразователи, в которых электро­механическое преобразование осущест­вляется магнитным и электрическим полями.

В индуктивных электро­механических преобразователях электромехани­ческое преобразование энергии проис­ходит за счет изменения индуктивнос­ти (потокосцеплений) обмоток, а в ем­костных электромеханических преобразователях—за счет изменения емко­сти. Индуктивно-емкостные электро­механические преобразователи в про­стейшем случае представляют собой объединение в одну электромеханичес­кую систему движущихся частей и электрических цепей индуктивной и ем­костной машин (рисунок 1).

По режиму работы элект­рические машины делятся на генера­торы и двигатели.

В генераторах механическая энер­гия, подводимая к валу машины, преобразуется в электрическую энергию. В двигателях электрическая энер­гия преобразуется в механическую энергию.

Одна и та же электрическая маши­на может работать и двигателем, и ге­нератором. Однако у генераторов и двигателей обычно имеются конструк­тивные отличия, и на заводском щите машины указывается режим работы.

Хотя электро­механические преобразователи с электрическим рабочим полем появились раньше индуктивных, они как силовые электро­механические преобразователи не нашли про­мышленного применения. Сделаны по­ка лишь робкие попытки создания ин­дуктивно-емкостных электро­механических преобразователей при использо­вании магнитострикционного и пьезо­электрического эффектов.

Все разновидности индуктивных электрических машин по роду питания можно разделить на машины переменного и постоянного тока.

Машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные (не­синхронные), коллекторные машины переменного тока и трансформаторы.

В синхронных машинах угловая скорость ротора ω_р и угловая скорость магнитного поля ω_с с равны друг другу.

В асинхронных машинах угловая скорость ротора не равна угловой ско­рости поля: ω_р≠ω_с. При этом ω_р мо­жет быть меньше или больше угловой скорости поля. Направления вращения ротора и поля статора могут быть про­тивоположны.

Коллекторные машины переменно­го тока отличаются от асинхронных и синхронных машин тем, что имеют ме­ханический преобразователь частоты и числа фаз — коллектор, который сое­динен с обмоткой статора или ротора.

Трансформаторы — электромагнит­ные преобразователи энергии. В них не происходит преобразования элект­рической энергии в механическую и обратно, а имеет место преобразова­ние электрической энергии одного ви­да в другой. Трансформаторы выпол­няются таким образом, что обмотки не могут перемещаться относительно друг друга.

Синхронные машины могут рабо­тать в режиме потребления или отда­чи в сеть реактивной мощности. Такие машины называются синхронными компенсаторами.

Электрические машины, как прави­ло, выполняются с одной вращающей­ся частью – ротором и неподвижной частью – статором. Когда вращается только ротор, машина имеет одну сте­пень свободы. Такие машины называ­ются одномерными.

Электромагнитный момент в элект­рических машинах приложен и к рото­ру, и к статору. Если дать возможность вращаться обеим частям машины, они будут перемещаться в противополож­ные стороны. У машины, в которой мо­жет вращаться и ротор, и статор, — две степени свободы. Это двухмерные машины. В навигационных приборах ротором может быть шар, который вращается двумя статорами, располо­женными под углом 90°. Такие маши­ны имеют три степени свободы. В кос­мической электромеханике приходится рассчитывать шестимерные электроме­ханические системы, в которых статор и ротор имеют три степени свободы [1].

 

Асинхронный электропривод

 

Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

Впервые явление, названное магнетизмом вращения, продемонстрировал французский физик Д. Ф. Араго (1824). Он показал, что укрепленный на вертикальной оси медный диск начинает вращаться, если вращать над ним постоянный магнит. Спустя 55 лет, 28 июня 1879, английский ученый У. Бейли получил вращение магнитного поля поочередным подключением обмоток 4 стержневых электромагнитов к источнику постоянного тока. В работах М. Депре (Франция, 1880—1883), И. Томсона (США, 1887) и др. описываются устройства, основанные также на свойствах вращающегося магнитного поля. Однако строгое научное изложение сущности этого явления впервые, практически одновременно и независимо друг от друга, было дано в 1888 итальянским физиком Г. Феррарисом и хорватским инженером и ученым Н. Тесла.

Двухфазный асинхронный электродвигатель, был изобретен Н. Тесла в 1887, публичное сообщение об этом изобретении он сделал в 1888. Распространения этот тип асинхронного двигателя не получил главным образом из-за плохих пусковых характеристик. В 1889 М. О. Доливо-Добровольский испытал сконструированный им первый в мире трехфазный асинхронный двигатель, в котором применил ротор типа «беличье колесо», а обмотку статора разместил в пазах по всей окружности статора. В 1890 Доливо-Добровольский изобрел фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами). Через 2 года им же была предложена конструкция ротора, названная «двойной беличьей клеткой», которую, однако, стали широко применять только с 1898 благодаря работам французского инженера П. Бушеро, представившего асинхронный электродвигатель с таким ротором, как двигатель со специальными пусковыми характеристиками.

Конструктивное оформление асинхронного электродвигателя, их мощность и габариты зависят от назначения и условий работы.

Например, двигатели с воздушным и водяным охлаждением (общего применения); герметичные, маслонаполненные (для электробуров) и взрывобезопасные (для работы в шахтах, взрывоопасных помещениях и др.); пыле-, брызгозащищенные (для применения в морских условиях и тропическом климате) и т. д. Некоторые виды асинхронных двигателей (например, шаговые, для следящих систем, схем автоматики и телемеханики, со ступенчатой регулировкой скорости и пр.) разрабатываются и выпускаются комплектно с блоками управления и пускозащитной аппаратурой, с встроенными редукторами. Трехфазные асинхронные электродвигатели сравнительно с однофазными обладают лучшими пусковыми и рабочими характеристиками. Основные конструктивные элементы асинхронных двигателей: статор — неподвижная часть (рисунок 2а) и ротор — вращающаяся часть (рисунок 2б,в). В соответствии со способом выполнения роторной обмотки асинхронного мотора делятся на двигатели с контактными кольцами и короткозамкнутые. Воздушный зазор между статором и ротором у асинхронного электромотора делается по возможности малым (до 0,25 мм). Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты вращения магнитного поля статора и определяется частотой питающего тока и числом пар полюсов двигателя [2].

Рисунок 2 – Схема асинхронного двигателя [3].

 

При пуске асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, сила которого превышает силу номинального тока в 4—7 раз. Поэтому прямое включение в сеть применяется только для моторов мощностью до 200 кВт. Более мощные асинхронные электромоторы с короткозамкнутым ротором включают сперва на пониженное напряжение, чтобы сила пускового тока снизилась в 3—4 раза. С этой же целью применяют пуск асинхронного двигателя через автотрансформатор, включенный на время пуска последовательно с обмоткой статора. Силу пускового тока двигателей с фазным ротором ограничивают пусковым сопротивлением в цепи ротора, которое в процессе разбега ротора постепенно уменьшают. После запуска асинхронного электродвигателя обмотку ротора замыкают накоротко. Для уменьшения потерь на трение и износа щеток их обычно поднимают щеткоподъемным приспособлением, которое перед этим замыкает накоротко обмотку ротора через кольца.

Частоту вращения асинхронного электромотора регулируют в основном изменением числа пар полюсов, сопротивления, включенного в цепь ротора, изменением частоты питающего тока, а также каскадным включением нескольких машин. Направление вращения асинхронного электромотора изменяют переключением любых двух фаз обмотки статора.

Асинхронный электродвигатель благодаря простоте в производстве и надежности в эксплуатации широко применяют в электрическом приводе. Основные недостатки асинхронного двигателя — ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности в режиме малых нагрузок. Создание регулируемых статических полупроводниковых преобразователей частоты существенно расширяет область применения асинхронного двигателя в автоматических регулируемых электроприводах [3].

 

Синхронный электропривод

Важным достоинством синхронных машин является их способ­ность экономичного генерирования и потребления реактивной мощ­ности, так как они возбуждаются постоянным током. Поэтому они используются как генераторы на электростанциях, а также как компенсаторы. В специальных приводах синхронные машины используются и в качестве двигателей. Из-за наличия системы воз­буждения электромагнитные процессы в синхронной машине слож­ны, и еще сложнее эти процессы протекают в случае применения двух обмоток возбуждения, дающих возможность существенно улучшить рабочие свойства машины, повысить ее устойчивость, энергетические показатели [12].

Схема неявнополюсной синхронной машины основного исполнения представлена на (рисунке 3). Обмотка якоря 1 расположена в пазах статора, а об­мотка возбуждения 2— на роторе. Демпферной обмоткой являются пазовые клинья и стальной массивный ро­тор 3. Мощность возбуждения состав­ляет несколько процентов мощности машины, поэтому в этом исполнении щеточный аппарат работает надежно, а так как в обмотке возбуждения про­текает постоянный ток, для его подво­да требуются два кольца и две щетки.

Рисунок 3 – Схема синхронного двигателя [1]

Переходные процессы в ЭП с СД отличаются большим разнообразием и сложностью. Они возникают при пуске и торможении (остановке) СД, при синхронизации его с сетью, увеличении (набросе) снижении (сбросе), механической нагрузки, регулировании тока в возбуждения, изменении напряжения питающей сети, вызываемом в т числе и короткими замыканиями в электрических сетях и линиях электропередач. Изучение этих переходных процессов представляет собой сложную задачу. Определяется это тем, что СД имеет несколько обмоток — статора, возбуждения и пусковую, обтекаемые переменным и постоянным токами, которые магнитно связаны друг с другом и в процессе работы двигателя непрерывно меняют расположение относительно друг друга. Кроме того, во многих случаях необходимо учитывать и взаимодействие СД и питающей сети [1].

В общем случае переходные процессы в синхронном ЭП являются электромеханическими, т. е. процессы в электрической и механической частях ЭП связаны друг с другом и имеют, как правило, колебательный характер [4].