Принцип действия. Режим двигателя

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

 

Генераторы – устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

Двигатель – электрическая энергия преобразуется в механическую.

 

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

 

Асинхронная машина – это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор работает асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля.

Достоинства – простота и дешевизна,отсутствие легко повреждающихся и быстроизнашивающихся частей.

Недостаток – сложность и неэкономичность режимов работы.

Конструкция.

Состоит из двух главных частей:

- неподвижный статор;

- вращающийся ротор.

Статор.

 

Статор асинхронной машины представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. На внутренней стороне цилиндра имеются пазы (канавки) в которые помещаются обмотки образующие магнитную цепь.

 

Оси фазных обмоток сдвинуты относительно друг друга на угол , где р – число пар полюсов = количеству обмоток в одной фазе, соединенных между собой последовательно.

 

Ротор.

Асинхронные машины различают по конструкции ротора:

- Фазный ротор;

- Короткозамкнутый ротор.

Фазный ротор – представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник насаживается на вал, в пазах ротора располагаются витки обмоток, образующие трехфазную цепь.

Обмотки соединены звездой, а свободные концы их соединяются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированы от этого вала. На кольца наложены щетки, через кольца и щетки обмотка обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату для регулирования пускового тока и скорости двигателя.

Схема соединения асинхронного двигателя с фазным ротором:

 

Короткозамкнутый ротор. Относительно дешевле и чаще используется, обслуживание значительно проще.

Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных и алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника и их концы замыкаются накоротко кольцами («беличье колесо»).

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ. РЕЖИМ ДВИГАТЕЛЯ

К трехфазной обмотке статора подводится трехфазное напряжение, под действием которого в статоре возникает вращающееся магнитное поле. Магнитный поток Ф₁ создаваемый обмоткой статора, при своем перемещении пересекает обмотки ротора и индуктирует в них э.д.с., если обмотки ротора замкнуты, то в них возникают токи. В трехфазной обмотке возникает трехфазный ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора.

Потоки Ф₁ и Ф₂ вращаются синхронно и образуют общий поток Ф.

В результате взаимодействия токов с магнитным потоком Ф на проводники ротора действует механический и вращающий Эл. магнитный момент. Если момент М > тормозного момента, то ротор приходит во вращение по направлению вращения поля, с меньшей скоростью.

Относительная разность скорости вращения поля и ротора называется скольжением

n ₁ – скорость вращения магнитного поля (об/сек);

n ₂ – скорость вращения ротора (об/сек).

; при ,

; ,

где р – число пар полюсов, равно количеству обмоток в одной фазе статора.

;

f ₁ – частота сети;

f ₂ – частота тока в роторе.

 

РЕЖИМ ГЕНЕРАТОРА

Если ротор с помощью внешней силы привести во вращение в направление вращения поля со скоростью выше синхронной, то ротор будет обгонять поле. В обмотке ротора токи поменяют направление. Момент М при этом будет тормозящим, а машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть, S при этом < 0.

 

РЕЖИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ТОРМОЗА

Если ротор вращать в направлении обратном направлению вращения поля статора, электромагнитный момент М будет действовать в направлении поля, но будет тормозить вращение ротора. В этом случае S > 1.

 

РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

Необходимость магнитного поля вращаться приводит к наличию реактивной мощности. Представляет интерес соотношение между активной и реактивной мощностями, которое оценивается коэффициентом мощности.

.

 

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрические машины (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники.

Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности применяют в системах автоматического регулирования как для привода исполнительных механизмов, так и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Генераторы постоянного тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, например в радиотехнических установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока является сложность их конструкции связанная со щеточно – коллекторным аппаратом. В коллекторно – щеточных аппаратах осуществляющих постоянную перекомплектацию цепей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надежность машины и ограничивает область применения. Существенным недостатком двигателей постоянного тока является необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии в цепи переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

 

АНАЛИЗ ЩЕТОЧНОГО ТОКОСЪЕМА

Во вращающейся обмотке якоря моменты постоянного тока индуктируется переменная э.д.с. и для ее выпрямления необходим коллектор. Представим обмотку якоря в виде двух одинаковых витков, расположенных во взаимоперпендикулярных плоскостях и подключенных к коллектору.

При вращении витков 1 и 2 с угловой скоростью по часовой стрелке в них индуктируется э.д.с., положительные направления которых определяютя правилом буравчика.

;

;

; .

Главный магнитный поток: .

Виток 1 подключен к пластинам 1 и 3;

Виток 2 подключен к пластинам 2 и 4 коллектора.

В режиме х.х. напряжение между пластинами

; .

Выводы генератора подключены к виткам через неподвижные щетки a и b.

За один оборот коллектора его пластины 3,4,1,2,3 последовательно контактируют со щеткой a, а пластины 1,2,3,4,1 – со щеткой b.

Т.к. ток I_a переменный, то он меняет свое направление в зависимости от того в каком полюсе магнитного поля находится проводник. Поэтому щетка b будет заряжена положительно, а щетка a отрицательно.

Временная последовательность контакта с пластинами щетки a – U ₃₁, U ₄₂, U ₁₃, U ₂₄, U ₃₁.

Если поменять направление вращения витков и коллектора изменится направление напряжения генератора U_ab.

Последовательность контакта пластин со щеткой a – 3,2,1,4,3 (U ₃₁, U ₂₄, U ₁₃, U ₄₂, U ₃₁), со щеткой b – 1,4,3,2,1 (U ₁₃, U ₄₂, U ₃₁, U ₂₄, U ₁₃).

Применение ферромагнитного якоря позволяет равномерно распределить индукцию В в зазоре и таким образом уменьшает пульсацию напряжения генератора.

В генераторе щетки и коллектор необходимы для выпрямления переменной э.д.с. В двигателе обеспечивают непрерывность вращения якоря. Во всех проводах параллельных ветвей обмотки якоря ток один и тот же. Если на все эти провода действует электромагнитная сила одного направления, то двигатель развивает наибольший вращающий момент. Когда же провод проходит из области одного полюса в область другого, то одновременно щетки и коллектор производят переключение в нем направлении тока, так что сохраняется неизменность направления вращения.

 

РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

Реакцией якоря называется воздействие тока якоря на магнитное поле машины. Реакция якоря в большинстве случаев – явление нежелательное, искажающие главное магнитное поле.

Пока магнитное поле машины создается только током в обмотке возбуждения (I _я = 0), оно симметрично по отношению к оси сердечников полюсов и под полюсами равномерно. Геометрическая нейтраль совпадает с физической – рис. а)

 

 

Геометрическая нейтраль - линия перпендикулярная оси полюсов.

- физическая нейтраль, т.е. линия проходящая через точки, где магнитная индукция =0. Щетки располагаются на геометрической нейтрали.

Как только в обмотке якоря возникает ток, он становится электромагнитом. поле якоря поперечное – рис. б).

При нагрузке машины реакция якоря, воздействует на главное поле, создает результирующее поле.

Линии магнитного поля смещаются по направлению вращения в генераторном режиме или против направления в двигательном – рис. в). Физическая нейтраль смещается по отношению к геометрической.

 

Искажение магнитного поля под полюсами сопровождается значительным местным повышением магнитной индукции. Мгновенное э.д.с. в секциях обмотки пропорционально этой индукции (при движении). Следовательно искажение поля может вызвать повышение напряжения между соседними пластинами коллектора. Это может привести к возникновению опасных дуговых разрядов.

Для ослабления реакции якоря применяют:

1) увеличивают магнитное сопротивление на пути потока якоря. Воздушный зазор между якорем и полюсными наконечниками делают достаточно большим. Для обеспечения нужного потока необходима соответствующая м.д.с. Увеличение м.д.с. главных полюсов ведет к увеличению габаритов и массы;

2) дополнительные полюса устанавливают на станине и соединяют последовательно с обмоткой якоря через щетки так, чтобы направление напряженности поля дополнительных полюсов было противоположно направлению поля якоря;

3) компенсационная обмотка полностью компенсирует реакцию якоря. Якорь вращается, а его магнитный остается неподвижным. Компенсационная обмотка помещается в специальных пазах главных полюсов и последовательном соединении с обмоткой якоря. Приводит к удорожанию, применяется в крайних случаях.

 

 

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронной называется электрическая машина, частота вращения которой связана постоянным соотношением с частотой f сети переменного тока, в которую эта машина включена.

Область применения:

1) генераторы переменного тока промышленной частоты на электрических станциях;

2) двигатели работающие при постоянной частоте вращения;

3) синхронные компенсаторы для получения регулируемого реактивного тока.

Основными частями синхронной машины являются статор и ротор.

Статор состоит из сердечника и обмотки. Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укрепленный внутри массивного корпуса. В пазах с внутренней стороны статора размещается в большинстве случаев трехфазная обмотка.

Ротор синхронной машины конструктивно выполняют:

- явнополюсным;

- неявнополюсным;

Ротор представляет собой электромагнит.

На роторе располагают обмотку возбуждения, питаемую от источника постоянного тока. Т.о. ротор синхронной машины имеет свой магнитный поток, который определяет его полярность. В этом заключается принципиальное отличие ротора синхронной машины от ротора асинхронной машины, полярность которой всегда определяет полярность статора.

Явнополюсной ротор изготавливается из листовой стали и имеет большое число полюсов, на которых располагается ОВ.

ОВ неявнополюсных роторов закладываются в пазы и создает два полюса ротора.

В синхронных электрических машинах с неявновыраженными полюсами частота вращения ротора 3000 об/мин, а с явновыраженными от 100 до 1000 об/ мин.

Питание к обмотке ротора подводится через скользящие контакты, состоящие из медных колец и графитовых щеток.

 

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

 

При вращении ротора его магнитное поле пересекает витки витки обмотки статора, индуктируя в них э.д.с. Чтобы получить синусоидальную форму э.д.с., зазор между поверхностью ротора и статором увеличивают от середины полюсного наконечника к его краям. В быстроходных машинах с неявными полюсами используется соответствующее распределениеобмотки вдоль окружности ротора.

В режиме генератора магнитные полюса ротора как бы тянут за собой магнитные полюса статора.

Частота индуктируемой э.д.с.

,

p – число пар полюсов;

n – число оборотов ротора в мин.

Внешняя характеристика синхронного генератора

Напряжение на режимах генератора повышается при увеличении емкостной нагрузки.

 

СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Если приложить к валу машины вместо вращающего тормозной момент механической нагрузки, то ось полюсов ротора повернется на угол относительно полюсов статора против направления вращения. В результате взаимодействие токов в роторе с вращающим магнитным полем статора на проводники ротора действуют силы, которые будут стремиться увлечь ротор в направление вращения.

РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

В теории электрических машин обмотка в которой э.д.с. индуктируется основным магнитным потоком, называется обмоткой якоря. Поэтому у синхронных машин обмотка статора является обмоткой якоря. Если к такой обмотке присоединена нагрузка, то по ней протекает ток I, создающий магнитный поток якоря. Воздействие магнитного потока якоря на основной магнитный поток называется реакцией якоря и зависит от характера нагрузки.

 

КПД СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

,

- мощность постоянных потерь;

- мощность переменных потерь.

С уменьшением нагрузки к.п.д. уменьшается.

Увеличением номинальной мощности генератора к.п.д. увеличивается и увеличивается к.п.д. первичного двигателя.

ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

 

Электроприводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для электрофикации и автоматизации рабочих процессов.

Структурная схема

 

Преобразующее устройство ПрУ преобразует напряжение, ток или частоту напряжения. Оно может быть выполнено в виде магнитного усилителя, магнитного усилителя с выпрямителем, управляемого выпрямителя на тиристорах и т.д.

ЭДУ – электродвигательное устройство, где происходит преобразование эл.эн. в механическую.

ПУ – передаточное устройство для изменения скорости до рабочего значения (коробка передач).

РМ – рабочий механизм (нагрузка).

УУ – управляющееустройство регулирует работу всех блоковю

Электроприводы делят на три группы:

1) групповые;

2) одиночные;

3) многодвигательные.

 

Групповые, где с помощью механической передачи приводят в действие несколько механизмов.

Одиночные, где механизм приводится в действие индивидуальным двигателем.

В многодвигательных электроприводах каждый орган рабочего механизма снабжен своим двигателем.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерительные приборы бывают аналоговыми и цифровыми.

К аналоговым относятся измерительные приборы, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Цифровые – это приборы автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации. Результат измерений представлен в цифровой форме.

Аналоговые приборы можно разделить на 4 группы:

1. Электромеханические приборы прямого действия

2. Приборы сравнения

3. Самопишущие приборы

4. Электронные приборы.

 

По роду измеряемой величины

mA, мА, МА, мкА - амперметр.

 

- вольтметр.

- ваттметр.

- счетчик эл.эн.

- частотометр.

- омметр.

- фазометр.

 

По роду измеряемого тока.

— на пост. токе.

на однофазном переменном токе.

на пост. и переем. токе.

на 3-х фазн. переем. токе с симметр. нагр.

--//--//-- с несимметр. нагр.

одно- и двухэлементный для работы в 3-хпроводных цепях.

3-х элементный для работы в 4-х проводных цепях.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

 

Генераторы – устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

Двигатель – электрическая энергия преобразуется в механическую.

 

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

 

Асинхронная машина – это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор работает асинхронно, т.е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля.

Достоинства – простота и дешевизна,отсутствие легко повреждающихся и быстроизнашивающихся частей.

Недостаток – сложность и неэкономичность режимов работы.

Конструкция.

Состоит из двух главных частей:

- неподвижный статор;

- вращающийся ротор.

Статор.

 

Статор асинхронной машины представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. На внутренней стороне цилиндра имеются пазы (канавки) в которые помещаются обмотки образующие магнитную цепь.

 

Оси фазных обмоток сдвинуты относительно друг друга на угол , где р – число пар полюсов = количеству обмоток в одной фазе, соединенных между собой последовательно.

 

Ротор.

Асинхронные машины различают по конструкции ротора:

- Фазный ротор;

- Короткозамкнутый ротор.

Фазный ротор – представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник насаживается на вал, в пазах ротора располагаются витки обмоток, образующие трехфазную цепь.

Обмотки соединены звездой, а свободные концы их соединяются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу машины, но изолированы от этого вала. На кольца наложены щетки, через кольца и щетки обмотка обмотка ротора присоединена к трехфазному реостату для регулирования пускового тока и скорости двигателя.

Схема соединения асинхронного двигателя с фазным ротором:

 

Короткозамкнутый ротор. Относительно дешевле и чаще используется, обслуживание значительно проще.

Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных и алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника и их концы замыкаются накоротко кольцами («беличье колесо»).

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ. РЕЖИМ ДВИГАТЕЛЯ

К трехфазной обмотке статора подводится трехфазное напряжение, под действием которого в статоре возникает вращающееся магнитное поле. Магнитный поток Ф₁ создаваемый обмоткой статора, при своем перемещении пересекает обмотки ротора и индуктирует в них э.д.с., если обмотки ротора замкнуты, то в них возникают токи. В трехфазной обмотке возникает трехфазный ток. Этот ток создает вращающийся поток ротора.

Потоки Ф₁ и Ф₂ вращаются синхронно и образуют общий поток Ф.

В результате взаимодействия токов с магнитным потоком Ф на проводники ротора действует механический и вращающий Эл. магнитный момент. Если момент М > тормозного момента, то ротор приходит во вращение по направлению вращения поля, с меньшей скоростью.

Относительная разность скорости вращения поля и ротора называется скольжением

n ₁ – скорость вращения магнитного поля (об/сек);

n ₂ – скорость вращения ротора (об/сек).

; при ,

; ,

где р – число пар полюсов, равно количеству обмоток в одной фазе статора.

;

f ₁ – частота сети;

f ₂ – частота тока в роторе.

 

РЕЖИМ ГЕНЕРАТОРА

Если ротор с помощью внешней силы привести во вращение в направление вращения поля со скоростью выше синхронной, то ротор будет обгонять поле. В обмотке ротора токи поменяют направление. Момент М при этом будет тормозящим, а машина будет работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть, S при этом < 0.