Характеристика, виды и расчет электрических машин

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Электрические машины, определение, назначение, обратимость машин

Электрической машиной называют устройство, преобразующее или механическую энергию в электрическую (генератор), или электрическую энергию в механическую (электродвигатель) Электрические машины разделяют по назначению на 2 основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели - для приведения в движение колесных пар электрических локомотивов, вращение валов вентиляторов, компрессоров и т.п. В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции - паровой турбиной, на гидроэлектростанции - водяной турбиной. Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии или включить в электрическую сеть. Электрические машины обратимы. Это значит, что одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель.

2. Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина состоит из двух частей:

I неподвижная часть.

II подвижная часть.

I. Неподвижная часть электрической машины состоит из:

1. Станина - выполняет роль корпуса и магнитопровода.

Как корпус станина служит для:

- крепления остальных деталей машины

- для защиты внутренних деталей машины от пыли, грязи и т.д.

- для защиты потребителей (людей) от вращающихся частей машины.

Как магнитопровод станина служит для замыкания по ней основного магнитного потока.

Станина изготавливается литьём из стали высокой прочности и высокой магнитной проницаемости.

2. Главные полюса служат для создания основного магнитного потока (магнитного поля).

Полюс состоит из:

- сердечника (магнитопровода), набранного из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи.

- обмотки главных полюсов (обмотки возбуждения магнитного потока) изготавливаются из медного провода круглого сечения.

- полюсные наконечники имеют вид верхушки синусоиды для того, чтобы магнитная индукция в зазоре между полюсами изменялась бы по синусоидальному закону.

3. Дополнительные полюса служат для улучшения работы машины большой мощности, устройство аналогично устройству главных полюсов. Количество дополнительных полюсов кратно 2 и равно количеству главных.

4. Щетки со щеткодержателями выполняют две роли:

а) если электрическая машина работает в режиме генератора, то электрический ток проходит по цепочке: обмотка якоря - коллектор - щетки - нагрузка (потребитель э/э) во внешней цепи.

б) если электрическая машина работает в режиме электродвигателя, то ток проходит по цепочке: внешний источник питания - щетки - коллектор - обмотка якоря.

Щетки изготавливаются из графита с добавлением порошка меди для повышения электропроводности и устойчивости к стиранию. Щетки взаимозаменяемы без дополнительного разбора конструкции электрической машины.

5. Боковые крышки машины с подшипниковыми узлами закрывают машину по бокам и служат для крепления вала.

II. Подвижная часть электрической машины состоит из:

1. Вал - служит для крепления подвижных деталей машины. Вал изготавливается из стали высокой прочности.

2. Якорь и якорные обмотки выполняют две роли.

а) если машина работает в режиме генератора то при вращении якоря в обмотке якоря возникает ЭДС.

б) если машина работает в режиме двигателя, то от внешнего источника питания ток попадает в обмотку якоря, в результате чего якорь начинает вращаться.

Якорь выполняет роль магнитопровода и набирается из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В теле якоря сверлят вентиляционные каналы, по которым проходит охлаждающий воздух.

Проводники обмотки якоря закрепляются во внешних пазах якоря. Каждый проводник обмотки якоря припаивается к соответствующей пластине коллектора.

3. Коллектор является механическим выпрямителем тока, представляет собой жесткую конструкцию из медных пластин. Коллектор закрепляется на валу. Поверхность коллектора тщательно обрабатывается и зашлифовывается для уменьшения потерь на трение щеток по коллектору. Щёточно-коллекторный узел наиболее уязвимый, так как это единственное место соприкосновения подвижной и неподвижной частей машины; поэтому он требует постоянного контроля и ухода.

4. Вентилятор - крепится на валу и предназначен для воздушного охлаждения машины.



Рис. 1

1. Коллектор

2. Щётки

3. Сердечник якоря

4. Сердечник главного полюса

5. Обмотка возбуждения главного полюса

6. Станина

7. Подшипниковый щит

8. Вентилятор

9. Обмотка якоря

Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения магнитного потока.

Различают генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением. В генераторах независимого возбуждения основной магнитный поток создается либо постоянным магнитом, либо электромагнитом (обмоткой возбуждения), питаемым от источника постоянного тока. Генераторы независимого возбуждения находят применение в схемах автоматики, в двигатель-генераторных агрегатах, когда требуется изменять не только значение, но и полярность напряжения на зажимах, а также в качестве тахогенераторов, предназначенных для дистанционного измерения частоты вращения. Недостатком этих машин является необходимость иметь отдельный источник энергии для питания обмотки возбуждения или постоянные магниты.

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки главных полюсов осуществляется напряжением самого генератора. При этом отпадает необходимость в отдельном источнике питания. В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Генераторы постоянного тока параллельного возбуждения находят широкое применение в качестве бортовых источников питания, на подвижных объектах: кораблях, самолетах, автомобилях.

Генераторы последовательного возбуждения используют редко.

Генераторы со встречным включением обмоток используют в качестве сварочных генераторов.

Классификация электродвигателей постоянного тока по способу возбуждения магнитного потока.

Свойства электродвигателей постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают электродвигатели: 1) с независимым возбуждением: обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока; 2) с параллельным возбуждением: обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря; 3) с последовательным возбуждением : обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря; 4) со смешанным возбуждением : он имеет две обмотки возбуждения, одна подключена параллельно обмотке якоря, а другая - последовательно с ней. Двигатели с последовательным возбуждением применяют во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, Электропоезда, электрокары), а также в приводах грузоподъемных механизмов.

3. Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором.

Асинхронный двигатель - простейший из электрических машин, имеет 2 основные части статор и ротор. Статор состоит из чугунной станины, к которой закреплен магнитопровод в виде полого цилиндра, между станиной и сердечником оставлен зазор через который проходит охлаждающий воздух. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. В пазы, вырезанные по внутренней окружности статора укладывают обмотку и закрепляют клиньями. Ротор набирают из тонких листов электротехнической стали, в пазах ротора размещают фазную обмотку. Устройство фазной обмотки ротора аналогично устройству обмотки статора. Концы фазной обмотки ротора соединяют с контактными кольцами и через щетки соединяют с регулировочными или пусковыми реостатами. Контактные кольца из латуни или меди укрепляются на валу двигателя с помощью изолирующих прокладок. Щеткодержатель с угольными или медно-графитовыми щетками крепят на подшипниковом щите.

4. Принцип действия асинхронного двигателя.

Основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законах электротехники. При включении двигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки ротора. Согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора создается ЭДС пропорционально частоте пересечения силовых линий и в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи. По закону Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину вызывающую ток. Таким образом ротор раскручивается в направлении вращения поля и вращается с частотой меньшей частоты вращения поля, то есть не синхронно с полем, или асинхронно.

5. Скольжение и частота вращения ротора асинхронного.

Частота вращения магнитного поля статора - n1, а частота вращения ротора- n2, причем n2< n1. частоту вращения магнитного поля относительно ротора, т.е. разность «n1- n2» называют скольжением и обозначают s = (n1- n2)/ n1.

Скольжение зависит от нагрузки двигателя. Скольжение - важнейшая характеристика двигателя, через него выражается ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора. У большинства асинхронных двигателей s равно 2-5%. При неподвижном роторе (n2=0) s=1. Таким скольжением обладает двигатель в момент пуска. Асинхронные машины, как и другие электрические машины обратимы.

6. Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя.

Потери энергии в асинхронном двигателе складываются из потерь в обмотках статора и ротора, потерь в магнитопроводе, механических и добавочных потерь. Потери в обмотках Pм (потери в меди) пропорционально квадрату тока и существенно изменяются при изменении нагрузки двигателя.

?= P1-(Pм+Pc +PМех +Pдоб) / P1.

Где P1 - мощность, потребляемая двигателем из сети, Pc - потери в стали, PМех - механические потери, Pм - потери в меди, Pдоб -добавочные потери. При номинальном режиме работы двигателя КПД 0,9 - 0,95%

Важная характеристика коэффициент мощности cosц. Он показывает, какая часть полной мощности, поступающей из сети, расходуется на покрытие потерь и преобразуется в механическую работу.

7. Синхронный генератор.

Ротор синхронных машин вращается синхронно с вращающимся магнитным полем, т.к. частота вращения ротора с магнитным полем одинакова, в обмотке ротора не индуцируются токи. Обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока. Устройство статора синхронной машины аналогично устройству статора асинхронной. В пазы статора укладывают трехфазную обмотку, концы которой выводят на клеммовую панель. Ротор изготавливают в виде постоянного магнита. Роторы могут быть явнополюсными и неявнополюсными. Синхронные генераторы с явнополюсными роторами приводятся в действие тихоходными турбинами гидроэлектростанций. Синхронные генераторы с неявнополюсными роторами приводятся в действие паровыми или газовыми турбинами теплоэлектростанций.

Частота индуцированной ЭДС синхронного генератора f = pn/ 60, где p - число пар полюсов, n/60 - число оборотов ротора в секунду.

8. Синхронный двигатель

Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит. Важное достоинство синхронного двигателя постоянство частоты вращения. Достоинства: постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу, меньшее чем у асинхронных двигателей чувствительность к колебаниям напряжения. Недостатки: сложность конструкции, сложность пуска в ход, трудность регулирования частоты вращения.

Классификация электрических машин.

Рис. 2

3. Коллекторные и бесколлекторные электрические машины

Деление на коллекторные и бесколлекторные электрические машины существует благодаря принципиальным отличиям в принципе их действия.

Коллекторные машины.

Коллекторные агрегаты работают только на постоянном токе, поэтому отличительной чертой их конструкции является наличие механического преобразователя, который позволяет получить постоянный ток из переменного или наоборот. Они могут использоваться в качестве двигателя или генератора без необходимости внесения изменений в схему.

Их существенными преимуществами являются отличные пусковые характеристики и возможность плавной регулировки частоты вращения вала. Именно поэтому коллекторные электрические машины постоянного тока нашли очень широкое применение в качестве приводов для прокатных станов, электротранспорта, источников питания для сварочных аппаратов, электролитических ванн. В самолётах, тракторах, автомобилях такие двигатели приводят в движение всё используемое вспомогательное оборудование.

Небольшая группа коллекторных машин небольшой мощности выполняется в виде универсальных двигателей, которые уникальны тем, что могут работать и от постоянного, и от переменного тока.

Бесколлекторные машины.

Бесколлекторные агрегаты работают только с переменным током и делятся на синхронные и асинхронные машины. Синхронные машины широко применяются как в качестве генераторов, так и электродвигателей, в то время как асинхронные - в основном служат двигателями.



Рис. 3. Синхронный генератор (упрощённая схема устройства) 1 - сердечник статора (неподвижная часть машины), 2 - обмотка статора, 3 - вал, 4 - ротор двигателя (постоянный магнит)

двигатель асинхронный электрический

Принцип работы такого генератора заключается в том, чтобы при помощи привода (двигателя внутреннего сгорания или турбины) через ременную передачу привести в движение ротор генератор. Одновременно в обмотке статора наводится ЭДС (указано стрелками) и благодаря замыканию её на нагрузке в цепи появляется ток.

Когда речь идёт о синхронном электродвигателе, то его работа начинается с подачи тока на обмотку статора. Это приводит к вращению магнитного поля, которое при взаимодействии с полем ротора вырабатывает силу, которая, в конечном счёте, преобразует электрическую энергию в механическую и вращает вал.



Рис. 4. Принцип действия асинхронного электродвигателя

В асинхронном электродвигателе при включении обмотки статора в сеть образуется вращающееся с частотой n1 магнитное поле. При этом в обмотке статора и ротора наводится ЭДС. Благодаря тому что обмотка ротора замкнута в ней возникает ток, который взаимодействуя с полем статора создаёт электромагнитные силы Fэм приводящие во вращение ротор двигателя.

Трансформаторы.

Трансформатор - электрический аппарат, который представляет собой статическое устройство, преобразующее одну систему переменного тока в другую. Параметры для преобразования могут быть самыми разными: ток, напряжение, частота, число фаз. Но чаще всего в системах электроснабжения используются силовые трансформаторы, которые позволяют изменить величину тока и напряжения (при этом все остальные параметры сети остаются неизменными).

По назначению существует деление аппаратов на трансформаторы силового и специального назначения. Силовые являются одним из основных элементов систем энергоснабжения и используются при транспортировке электроэнергии для получения напряжения требуемого класса.

Специальные же очень разнообразны по своей конструкции и рабочим характеристикам (примером могут послужить сварочные, печные, испытательные трансформаторы). Отдельной их категорией являются автотрансформаторы - однообмоточные аппараты, которые способны изменять величину напряжения в минимальных пределах (когда коэффициент трансформации приближён к 1).

Принцип действия силового трансформатора.

Рис. 5

Конструктивно аппарат состоит из сердечника, выполненного из листовой электротехнической стали и обмоток 1 и 2 (первичной и вторичной), которые размещены на стержнях и электрически не связаны между собой. К обмотке 1 подключается источник питания, к обмотке 2 - нагрузка (потребитель).

За счёт явления электромагнитной индукции переменный ток i1 создаёт магнитный поток, который замыкается в сердечнике и сцепляясь с обеими обмотками наводит в них ЭДС само- и взаимоиндукции соответственно. При подключении потребителя во вторичной обмотке создаётся ток i2, а на выводах - вторичное напряжение. Разница в напряжениях на вводах и выводах образуется за счёт разного количества витков в 1 и 2 обмотках. Отношение параметров может быть любым.

По количеству фаз существует разделение на одно- и трехфазный трансформатор, по виду охлаждения - на воздушный и масляный, по форме магнитопровода - на стержневой, бронестержневой, броневой, тороидальный. Особенностью трёхфазного от однофазного трансформатора в плане его электрической схемы состоит в том, что схемы трёх отдельных систем объединены в одну.

Трансформаторы и электрические машины в целом являются одними из важнейших элементов любой системы энергоснабжения. Огромное количество технических решений и отдельных видов устройств позволяет решать самые разные задачи во всех сферах деятельности.

Синхронные машины это такие машины переменного тока, в которых частота движения ротора равно частоте тока в статоре. А, следовательно, определяется частотой питающей сети. Для производства электричество чаще всего используют синхронные генераторы. А синхронные двигатели отличаются тем, что у них скорость вращения постоянна и не зависит от нагрузки.

Все синхронные машины в принципе имеют одинаковую конструкцию. Они состоят из неподвижной части, которую называют статором. Он представляет собой корпус внутри, которого закреплён сердечник. Сердечник имеет цилиндрическую форму и набирается из тонких пластин для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис. В сердечнике с внутренней стороны имеются пазы, в которые уложена обмотка статора. Сердечник вместе с обмоткой называется якорем.

Рис. 6. Неподвижный якорь синхронной машины

Внутри статора находится ротор, представляющий собой цилиндрической формы сердечник из сплошной стали который находится на валу. На сердечнике ротора намотана обмотка возбуждения, которая запитывается постоянным током потому нет необходимости делать сердечник ротора из шихтованной стали. Так как магнитный поток ротора постоянный.

Рис. 7. Ротор синхронной машины

Ток к ротору подводится через скользящие контакты в виде колец находящихся на валу, к которым прижаты графитовые щетки. Кольца изолированы друг от друга и от вала. А к ним подключены концы обмотки возбуждения. Сердечник ротора с обмоткой возбуждения называются индуктором. Обмотка возбуждения размещается на роторе, так как ток возбуждения имеет малую величину по сравнению с током якоря. Иногда синхронные машины выполняют и наоборот. Это когда индуктор находится на статоре, а якорь на роторе. Ток возбуждения подводится к статору, а якорный ток, например для двигателя подводится к ротору.

Все синхронные машины можно разделить на два вида. Первый из них это синхронные машины, у которых ротор выполнен с неявно выряженными полюсами. Неявно выраженные полюса это когда обмотка ротора равномерно уложена в пазы сердечника. Не имея при этом явно выраженных полюсов. Это, как правило, высоко оборотистые машины.

Так как на высокой скорости вращения ротор с явно выраженными полюсами будет испытывать высокие динамические нагрузки.



Рис. 8. Ротор неявнополюсной машины

Синхронные машины с явно выряженными полюсами применяют на низких частотах вращения. Это, как правило, гидрогенераторы. Поскольку ротор вращается под напором столба воды, а создать на реке большой перепад воды достаточно сложно.

На роторе явно полюсной машины отчетливо выделяются магнитные полюса, на которые укладывается обмотка возбуждения.

Рис. 9. Ротор явнополюсной машины

Рассмотрим принцип действия синхронной машины на примере генератора переменного тока. К индуктору генератора подводится постоянный ток от внешнего источника тока. Этот ток создает основной магнитный поток, который пронизывает обмотки якоря. Обмотки якоря имеют одинаковое число витков и уложены друг относительно друга со смещением в 120 градусов.

При вращении ротора в обмотках статора наводится эдс вследствие электромагнитной индукции. Чтобы ток в обмотках якоря изменялся по синусоидальному закону, в явно полюсных машинах применяют полюсные наконечники особой формы. То есть воздушный зазор между полюсным наконечником и якорем не однородный, а изменяется с движением от середины к краю. Таким образом, магнитное поле в зазоре будет изменяться по закону близкому к синусоидальному.

Рис. 10. Распределение поля в полюсном наконечнике явно полюсной машины

В неявнополюсных машинах для получения формы тока близкой к синусоидальной используют неоднородное распределение обмотки возбуждения в пазах индуктора.

Рис. 11. Распределение поля в неявнополюсном индукторе

Когда синхронная машина работает в режиме электродвигателя, трех фазное напряжение подается на якорь. При этом обмотка индуктора замыкается накоротко, что обеспечивает асинхронный режим пуска синхронной машины. После разгона на индуктор подается постоянный ток, и машина входит в синхронизм.

Двухполюсные и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, выполняют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно, так как не обеспечивается необходимая механическая прочность крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения 2 в такой машине размещается в пазах сердечника 5 ротора, изготовленного из массивной стальной поковки, и укрепляется в них немагнитными металлическими клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят стальными массивными бандажами. Примерно 1/3 каждого полюсного деления ротора не имеет пазов; эти части образуют так называемые «большие зубцы» 4, через которые входит и выходит поток возбуждения.

По своему назначению синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы и синхронные двигатели. Назначение машины в значительной степени определяет и ее конструкцию.

Турбогенераторы, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Для получения стандартной частоты 50 Гц они должны иметь при двух полюсах частоту вращения 3000 об/мин, а при четырех полюсах--1500 об/мин.

Гидрогенераторы приводятся во вращение тихоходными турбинами, частота вращения которых составляет несколько десятков или сотен оборотов в минуту, поэтому они выполняются с большим числом полюсов (16--96) и имеют явнополюсные роторы.

Дизель-генераторы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, и синхронные двигатели небольшой и средней мощности выполняют обычно явнополюсными, мощные же двигатели -- неявнополюсными.

Дизель-генераторы и синхронные двигатели выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала. В дизель-генераторе обычно имеется один подшипник; в качестве второй опоры ротора используется подшипник самого дизеля, вал которого жестко соединяется с валом ротора генератора. В синхронных машинах с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещаются стержни беличьей клетки, выполненной из меди или латуни. С торцовых сторон ротора стержни соединяются с короткозамыкающими кольцами. В генераторах эту клетку называют демпферной обмоткой; она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при резких изменениях режима работы машины.

Турбогенераторы -- быстроходные неявнополюсные машины. выполняемые в настоящее время, как правило, с двумя полюсами. Турбогенератор вместе с паровой турбиной, с которой он механически соединяется называется турбоагрегатом.

Рис. 12. Общий вид турбоагрегата. 1-турбогенератор; 2--паровая турбина; 3-- возбудитель.

Гидрогенераторы -- в обычных случаях тихоходные явнополюсные машины, выполняемые с большим числом полюсов и с вертикальным валом.



Рис. 13. Общий вид гидроагрегата

Магнитная цепь синхронной машины

В режиме х.х. синхронной машины, т. е. при отсутствии тока I1 в обмотке статора, магнитное поле создается лишь МДС обмотки возбуждения Fв0. Форма графика распределения индукции в зазоре явнополюсной машины в этом случае зависит от конфигурации полюсных наконечников полюсов ротора. Для придания этой кривой формы, близкой к синусоидальной, воздушный зазор делают неравномерным, увеличивая его на краях полюсных наконечников.

Основной магнитный поток явнополюсной синхронной машины, замыкаясь в магнитной системе машины, сцепляется с обмоткой статора. Как и в асинхронных неявнополюсных машинах, магнитная система явнополюсной синхронной машины представляет собой разветвленную симметричную магнитную систему, состоящую из 2р параллельных ветвей. Каждая из таких ветвей представляет собой неразветвленную магнитную цепь, содержащую одну пару полюсов. Основной магнитный поток Ф, замыкаясь в магнитной цепи, проходит ряд участков (рис. 20.2): воздушный зазор д, зубцовый слой статора hz1, зубцовый слой ротора hz2, полюс ротора hm, спинку статора L1 и спинку ротора (обод) Lоб.

Сумма магнитных напряжений на всех перечисленных участках магнитной цепи определяет МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. (А):

Fво = ? F = 2Fд + 2Fz1 +2Fz2 + 2Fm + Fc1 + Fоб,

где Fд, Fz1, Fz2, Fm, Fс1 и Fo6 -- соответственно магнитные напряжения зазора, зубцовых слоев статора и ротора, полюсов, спинки статора и обода, А.

Порядок расчета магнитных напряжений на участках магнитной цепи в принципе такой же, как и при расчете магнитной цепи асинхронной машины. При расчете магнитного напряжения полюсов и спинки ротора необходимо иметь в виду, что магнитный поток на этих участках несколько больше основного магнитного потока Ф на величину потока рассеяния ротора Фу представляющего собой небольшую часть общего потока полюсов Фm не проходящего через зазор д, замыкающегося в межполюсном пространстве:

Фm = Ф + Фу = Ф(1 + Ф/ Фу) = Фуm,

где уm -- коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора.

Рис. 14. Магнитная система явнополюсной синхронной машины



Рис. 15. Участки магнитной цепи явнополюсной синхронной машины

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент

уm = 1 + 0,2 kм1

где

kм1 = F10 / (2Fд)

-- коэффициент магнитного насыщения сердечника статора синхронной машины;

F10 = 2 Fд +2Fz1 + Fc1

-- сумма магнитных напряжений в сердечнике статора и воздушном зазоре, А.

Для синхронных явнополюсных машин коэффициент магнитного рассеяния полюсов ротора уm = 1,1 ч 1,4 в зависимости от степени магнитного насыщения магнитопровода машины и числа полюсов (с ростом числа полюсов 2р уменьшается межполюсное пространство ротора машины и магнитное рассеяние увеличивается). Используя МДС обмотки возбуждения в режиме х.х. ? F , путем дополнительных расчетов определяют МДС обмотки возбуждения при нагрузке Fв.н. Обычно Fв.н = (2,0 ч 2,2) ?F.

Полученное значение МДС Fв.н позволяет рассчитать число витков в полюсной катушке ротора:

Wк.в = Fв.н / (2Iв),

где Iв -- ток в обмотке возбуждения синхронной машины, А.

Магнитное поле синхронной машины.

В настоящей главе рассматривается трехфазный синхронный генератор, работающий на симметричную нагрузку так, что все фазы обмотки нагружены равномерно, т. е. в них наводятся одинаковые ЭДС и проходят равные по значению и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 120° токи. Из гл. 9 известно, что в этих условиях трехфазная обмотка статора создает вращающуюся синхронно с ротором МДС, максимальное значение которой определяется выражением:

F1 = 0,45m1 I1 w1 kоб1 / p.

вектор МДС статора может занимать разные пространственные положения относительно оси полюсов ротора.

В неявнополюсной синхронной машине воздушный зазор равномерен, а поэтому пространственное, положение вектора МДС статора относительно оси полюсов ротора не влияет на величину и график распределения магнитного поля статора.

В явнополюсной синхронной машине воздушный зазор неравномерен из-за наличия значительного межполюсного пространства, не заполненного сталью, и магнитное сопротивление потоку статора Фd по продольной оси dd намного меньше магнитного сопротивления потоку статора Фq по поперечной оси qq. Поэтому величина индукции магнитного поля статора и график ее распределения в воздушном зазоре в явнополюсных машинах зависят от пространственного положения вектора МДС обмотки статора F1 или его составляющих.

Так, амплитуда основной гармоники индукции магнитного поля статора по продольной оси B1d1 больше амплитуды основной гармоники индукции поля по поперечной оси В1q1:

B1d1 = B1kd; B1q1 = B1kq

где В1 -- амплитудное значение магнитной индукции поля статора при равномерном зазоре; kd и kq -- коэффициенты формы поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям.

Коэффициенты kd и kq определяют степень уменьшения амплитуды основной гармоники поля статора (якоря) по продольной и поперечной осям, обусловленную неравномерностью

Рис. 16. Магнитные поля статора синхронной явнополюсной машины по продольной (а) и поперечной (б) осям воздушногo зазора в машинах с явнополюсным ротором

Значения kd и kq зависят от отношения максимального и минимального воздушных зазоров дmах/д, от относительной величины зазора д/ ф , а также от коэффициента полюсного перекрытия бi, При равномерном зазоре (д = const) отношение дmах/д = 1. Полюсное деление ф определяют по (7.1). Коэффициент полюсного перекрытая бi = bр/ф, где bр -- ширина полюсного наконечника.

При равномерном воздушном зазоре (дmах/д =1) и весьма малой его относительной величине (д/ ф ? 0) коэффициенты формы поля определяются выражениями

kd = [рбi + sin(бi 180°)] /р;

kq =[рбi - sin(бi 180°)] /р.

видим, что при бi = 1, т. е. при неявнополюсном роторе, kd = kq= 1.

Обмотка возбуждения синхронной машины при прохождении по ней тока Iв создает МДС на пару полюсов (А):

Fв.н = Iв 2wк.в

Рис. 17. Магнитные поля возбуждения неявнополюсной

(а) и явнополюсной (б) синхронных машин

При этом форма магнитного поля возбуждения в зазоре машины зависит от конструкции ротора. Амплитуда основной гармоники этого поля Вв1 определяется коэффициентом формы поля возбуждения

kf = Bв1/ Вв,

где Вв -- максимальное значение магнитной индукции поля возбуждения.

Для неявнополюсного ротора коэффициент формы поля возбуждения

kf = 8sin г 90°/ (р2 г)

где г = 2б/ ф -- отношение обмотанной части полюса ротора ко всему полюсному делению. Обычно г = 0,67 ч 0,80. Наименьшее содержание высших гармоник поля соответствует г = 0,75.

Для явнополюсного ротора при равномерном зазоре и д/ф ? 0 коэффициент формы поля возбуждения.

kf = 4sin бi 90°/ р

Увеличение зазора на краях полюсов способствует приближению коэффициента kf к единице, т. е. приближает форму кривой индукции поля к синусоиде.

При неравномерном воздушном зазоре значения коэффициентов формы поля определяют по графикам, приводимым в руководствах по расчету синхронных машин.

Реакция якоря синхронной машины

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения Fв0 и статора (якоря) F1, при этом МДС статора (якоря) воздействует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле возбуждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в машине сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке статора, а следовательно, изменением и рада других величин, связанных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу синхронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы генератора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС, индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС ) на 90°. Что же касается вектора тока в обмотке статораI1, то он может занимать по

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного тока общего применения в настоящее время используются реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют значительную часть электрооборудования летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания; максимальная мощность их достигает 30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон - от долей до десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается более 200 различных электродвигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, в приводе подъемных устройств, для привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного тока применяются для привода прокатных станов и на судах для вращения гребных винтов. Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (электролизные и гальванические установки). Питание обмоток возбуждения мощных синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудителей).

В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).

Основные элементы конструкции МПТ.

В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2. По проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Из технологических соображений сердечник полюсов обычно набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5--1 мм (рис. 2). Одна сторона полюса прикрепляется к станине, часто при помощи болтов, другая -- располагается вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечником является рабочим воздушным зазором машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный магнитный поток, называется ярмом.

Рис. 18. Устройство машины постоянного тока: 1 -- обмотка возбуждения; 2 -- полюсы; 3 -- ярмо; 4 -- полюсный наконечник; 5 -- якорь; 6 -- проводники якорной обмотки; 7 -- зубец якорного сердечника; 8 -- воздушный зазор машины

Рис. 19. Полюс машины постоянного тока: 2 -- полюсный сердечник; 2 -- воздушный зазор; 3 -- полюсный наконечник; 4 -- обмотка возбуждения 5 -- болт для крепления полюса; 6 -- ярмо

Основная часть потока Ф, создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N, воздушный зазор 8, зубцы 7 и спинку якоря 5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной последовательности к южному соседнему полюсу S и через ярмо 3 возвращается к северному полюсу N. Поток Ф проходит замкнутый путь, который показан на рис. 1 линиями магнитной индукции. Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

Рис. 20

Представлено распределение магнитной индукции в воздушном зазоре двухполюсной машины в функции геометрического угла б. Начало координат и выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция возрастает, сначала медленно (до точки а) у края полюсного наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с, находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением относительно оси абсцисс кривой oabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение, чередуются. В общем случае машина может иметь р пар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода (рис. 4). В теории электрических машин, кроме угла бг, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла бэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции соответствует электрический угол бэ=360 эл. град или 2р эл. рад.

Поэтому

бэ=сбг

например, видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем бэ=2ссг.

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индуктируется э. д. с. Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с.. проводника

Рис. 3. Кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э.д.с. проводника якорной обмотки во времени:

а -- пространственное распределение индукции под полюсом; б -- изменение э.д.с.. проводника во времени; в -- выпрямленное при помощи коллектора напряжение на щетках

e=Bбlн,

где Ва -- нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в которой в данный момент времени находится проводник, тл;

I -- активная длина проводника, т. е. длина, в которой индуктируется э. д. с., м;

v -- скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.



Рис. 21. Распределение потока в четырехполюсной машине: а -- чередование полюсов; б -- распределение индукции в воздушном зазоре

При работе машины длина l активного проводника сохраняется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const) имеем

e?Bб.

Из выражения следует, что при равномерном вращении якорной обмотки изменение э.д.с е проводника во времени в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре Вб, Анализируя кривую изменения э.д.с. во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках якорной обмотки индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, где n-- скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот ротора под проводником пройдет р пространственных волн магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой в р раз больше, т. е.

Выражение определяет частоту э.д.с. многополюсной машины. Оно показывает, что частота э.д.с. пропорциональна числу полюсов машины и скорости ее вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность электрический радиан в секунду. Подставляя значение w, выраженное через механическую скорость вращения

имеем

В машинах постоянного тока для выпрямления э.д.с. применяется коллектор, представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток всегда является положительной, другая -- отрицательной.

Рис. 22. Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора: 1-- медные пластины; 2 -- виток обмотки якоря; 3 -- щетки; 4 -- внешняя электрическая цепь

Простейший коллектор имеет две изолированные между собой медные пластины, выполненные в форме полуколец (рис. 5), к которым присоединены концы витка якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются с неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической цепью. При работе машины пластины коллектора вращаются вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в то же время, когда э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульсирующее напряжение, постоянное по направлению.

Рис. 23. Устройство коллектора: 1 -- корпус; 2 -- стяжной болт, 3 -- нажимное кольцо; 4 -- изоляционная прокладка; 5 -- «петушок» -- часть коллекторной пластины, к которой припаивается конец секции обмотки; 6 -- «ласточкин хвост» -- часть коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 -- коллекторная пластина

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих собой один или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор. По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках. При двадцати коллекторных пластинах разница между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий. Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится переменная э.д.с., для выпрямления которой необходимо особое устройство.

Рис. 24. Пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока: а -- при двух витках на полюс; б -- при большом количестве витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся вместе с якорем).

Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей. Генераторы постоянного тока применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок.

Принцип действия двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Естественные скоростная и механическая характеристики.

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами при U = const и iB = const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении Ia поток Фд несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скорость n, согласно выражению, будет стремиться возрасти. С другой стороны, падение напряжения RaIa вызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис 8; 1 -- при преобладании влияния RaIa; 2 -- при взаимной компенсации влияния RaIa и уменьшения; 3 -- при преобладании влияния уменьшения Фд.

Ввиду того что изменение Фд относительно мало, механические характеристики n=f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством, при U= const и iB== const совпадают по виду с характеристиками n= f(Ia) (рис. 8). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.

Характеристики вида 3 неприемлемы по условиям устойчивости работы. Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготовляются со слегка падающими характеристиками вида 1 (рис. 8). В современных высоко использованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов, якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида 1 (рис. 8) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, н. с. которой составляет до 10% от н. с. параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Фд под воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем -параллельного возбуждения.

Изменение скорости вращения Дn при переходе от холостого хода (Ia =Ia0) к номинальной нагрузке (Ia=Iaн) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2--8% от nн. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и пр.).

Рис. 25. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя параллельного возбуждения

Регулирование скорости посредствам ослабленного магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения Rp в. При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (Rpa= 0) и U = const характеристики n =f(Ia) и n=f(M), определяемые равенствами, для разных значений Rр.в., IB или Фд имеют вид. Все характеристики n =f(Ia) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе Ia, который равен

Однако механические характеристики пересекают ось абсцисс в разных точках.

Нижняя характеристика соответствует номинальному потоку. Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривой Мст=f(п) для рабочей машины, соединенной с двигателем.

С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь М0 и I00 также увеличиваются. Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения n, то Еа=ceФдт будет увеличиваться, а Iа и М будут, согласно равенствам

и

уменьшаться. При Iа = 0 и М. =0 механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скорости Iа и М изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рис. 9 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготовляются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.

Рис. 26. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики. Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление Rpa, то вместо выражений получим

Сопротивление Rpa может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.

Рис. 27. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n=f(M) и n=f(Ia) для различных значений Rpa = const при U = const и iB = const (Rpa1 < Rpa2< Rpa3)- Верхняя характеристика (Rpa = 0) является естественной. Каждая из характеристик пересекает ось абсцисс (n= 0) в точке с

и

Продолжения этих характеристик под осью абсцисс соответствуют торможению двигателя противовключением. В этом случае n< 0, э.д.с. Еа имеет противоположный знак и складывается с напряжением сети U, вследствие чего

а момент двигателя М действует против направления вращения и является поэтому тормозящим.

Если в режиме холостого хода (Ia = Ia0) с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения, то сначала достигается режим Ia=0, а затем Ia изменит направление и машина перейдет в режим генератора.

При включении Rpa характеристики становятся менее жесткими, а при больших величинах Rpa -- круто падающими, или мягкими.

Рабочие характеристики представляют собой зависимости потребляемой мощности Р1 потребляемого тока I, скорости n, момента М и к. п. д. з] от полезной мощности Р2, при U = const и неизменных положениях регулирующих реостатов.

...