Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройство и принцип действия электрических машин

План

• 1. Теоретическая часть
• 2. Простейший электромеханический преобразователь. Принцип обратимости электрических машин
• 3. Основные типы электрических машин
• 4. Устройство и принцип действия машин
• 5. Асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутой обмоткой на роторе
• 6. Коллекторный двигатель постоянного тока
• 7. Синхронный генератор

1. Теоретическая часть

Устройство и работа электрических машин основаны на законах: электромагнитной индукции, электромагнитных сил и полного тока.

Согласно закону электромагнитной индукции (Фарадея) изменение магнитного потока, сцепленного с произвольным контуром L (рис. 1), обусловливает наведение в этом контуре ЭДС

Рис. 1. Наведение ЭДС в контуре изменяющимся магнитным потоком

(1)

На использовании (1) базируется устройство электромеханических генераторов и производство почти всей электроэнергии на земле и атмосферных ЛА.

Поскольку (S - площадь контура, В - нормальная к плоскости контура составляющая магнитной индукции), то

(2)

Таким образом, ЭДС может быть получена как за счет изменения самого потока (ЭДС "трансформации")

, (3)

так и за счет механического перемещения контура или его части (проводника), приводящего к изменению величины потока , сцепленного с контуром (ЭДС "движения"),

(4)

( длина перемещающегося проводника, составляющая скорости его перемещения, нормальная к вектору ).

А Б

Рис. 2. ЭДС в контуре за счет: А - изменение площади , Б - вращения контура

На рис. 2А отражено линейное перемещение стороны контура L, при котором изменяется его площадь S; на рис. 2Б (в разрезе) - вращение контура неизменной площади. И в том и в другом случае перемещающиеся проводники пересекают силовые линии магнитного поля; при этом изменяется величина потока, пронизывающего контур L, обусловливая наведение в нем ЭДС. Второй осуществляется проще, поэтому машины обычно делают вращающимися.

Закон электромагнитных сил (Ампера) говорит о том, что на проводник с током (рис. 3), находящийся в магнитном поле (), действует сила, называемая электромагнитной и равная

(5)

( - угол между векторами и ).

Использование (5) позволяет построить электродвигатель - машину, преобразующую электрическую энергию () посредством магнитного поля () в механическую ().



Формулы (4), (5) определяют величины и ; что касается направлений обоих векторов, то их удобно находить с помощью одной, левой, руки ("одной левой")или, иначе, правила "причина-следствие" (ППС): если силовые линии (рис. 4) направить в ладонь, а четыре вытянутых пальца - в сторону "причины", то отогнутый большой палец укажет направление "следствия" (т. е. требуемых векторов): . Примечание: под (как уже указывалось), понимается нормальная составляющая скорости перемещения проводника относительно силовых линий магнитного поля, и она может не совпадать по величине и направлению со скоростью перемещения проводника в пространстве.

В частности (рис. 5), если проводник неподвижен, а перемещается () магнитное поле, то вектор относительной скорости проводника следует направить в противоположную от сторону.

Для осуществления электромеханического преобразования энергии необходимо магнитное поле, которое может быть создано, в частности, постоянными магнитами. Однако, его можно получить и с помощью электрического тока.

Закон полного тока указывает на наличие магнитного поля вокруг проводников с током и устанавливает связь между напряженностью этого поля и током, который его создает:

, (6)

т.е. циркуляция вектора магнитной напряженности по любому замкнутому контуру L равна полному току , охватываемому данным контуром. называют также магнитодвижущей силой (МДС).

Во многих случаях контур L можно разбить на участки, в пределах которых , тогда, имея ввиду соотношения

,

из (6) получим:

или , (7)

где , , - длина, площадь поперечного сечения и магнитная проницаемость k - участка контура L,

- его магнитное сопротивление. Из (7) следует, что чем выше магнитная проницаемость и площадь участка S_k и меньше его длина , тем меньшая МДС F требуется для создания необходимого потока , (т.е. нужной величины , или ).

Направления векторов и связаны между собой правилом "буравчика" (рис. 7). Если ввинчивать бурав в направлении тока , то направление вращения рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля () и, наоборот, при ввинчивании бурава в направлении вращение рукоятки указывает направление .

Рис. 8 иллюстрирует сходство картины магнитного поля постоянного магнита и поля, созданного контуром тока . Практически применяются оба способа. Первый не требует постоянного притока электроэнергии, зато во втором случае можно, изменяя , менять Ф как по величине, так и по направлению, а также создавать эффект перемещения (в частности - вращения) магнитного потока.

На рис. 9 три неподвижные катушки АX, ВY, СZ, равномерно расположенные по окружности, питаются от соответствующих фаз трехфазного источника или - поочередно - от специального коммутатора. Одновременно с перетеканием тока из одной катушки в другую перемещается вектор результирующего магнитного потока, создавая эффект вращающихся магнитных полюсов, подобный полю вращающихся постоянных магнитов. Такой способ создания вращающегося магнитного поля используется в машинах переменного тока.

2. Простейший электромеханический преобразователь. Принцип обратимости электрических машин

электромеханический двигатель генератор ротор

На рис. 10 представлена простейшая вращающаяся электрическая машина: в магнитном поле (), созданном, например, постоянными магнитами, находится электропроводящая рамка.

Принцип обратимости электрической машины заключается в том, что, в зависимости от способа использования, она может вырабатывать механическую энергию за счет подводимой электрической (режим двигателя), либо напротив, преобразовывать подводимую механическую энергию в электрическую (т. е. работать в режиме генератора).

Режим генератора. Если с помощью внешнего момента М привести рамку (рис. 10) во вращение со скоростью , то в ее сторонах а, б, пересекающих силовые линии магнитного поля, в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЗЭИ) наведётся ЭДС

(направление - согласно правилу "причина - следствие" - ППС). При подключении нагрузки (с внутренним сопротивлением ) по образовавшемуся контуру потечет ток I, и в цепи "рамка - нагрузка" выделится электрическая мощность

Таким образом, подведенная механическая мощность

преобразуется в электрическую , и устройство выполняет функцию генератора электроэнергии. Рабочий процесс в нем может быть записан так:

.

Режим двигателя. На рис. 11 конструктивно та же электрическая машина используется иначе: в рамку от источника электропитания напряжением подается ток . На проводники а, б в магнитном поле в соответствии с законом электромагнитных сил (ЗЭС) действуют силы

(направление - согласно ППС). Образующийся при этом электромагнитный момент приводит рамку во вращение ().

В результате подводимая к машине электрическая мощность Рэ=UІ преобразуется в механическую

.

Такое устройство называется электродвигателем, а рабочий процесс в краткой записи выглядит следующим образом:

В моделях на рис. 10, 11 неподвижной выполнена часть, создающая магнитное поле (постоянные магниты), а вращается электропроводящая рамка. В то же время из рассмотренного следует, что устройства в равной степени работоспособны, если вращаются магниты, а рамка - неподвижна. В реальных машинах вопрос о том, какую часть выполнить вращающейся, а какую - неподвижной определяет техническая целесообразность в каждом конкретном случае.

3. Основные типы электрических машин

Из рис. 10, 11 видны и "проблемы" рассмотренных моделей:

- необходимо обеспечить непрерывное протекание тока во вращающейся рамке;

- в двигательном режиме (рис. 11) при повороте рамки от исходного положения уменьшается (уменьшается плечо), в положении на геометрической нейтрали (ГН) и далее меняет направление, возвращая рамку в положение ГН.

Чтобы обеспечить постоянное направление , следовательно, непрерывную работу двигателя, необходимо, чтобы у полюса всегда находился проводник с одним направлением тока, а у с другим и эта ситуация при вращении рамки не изменялась. Сделать это можно двумя способами: либо изменять направление тока в проводниках при переходе их от одного полюса к другому, либо магнитные полюса должны вращаться вместе с рамкой.

В зависимости от способа подачи тока в рамку и того, как организован непрерывный рабочий процесс, принято делить машины на три основных типа: коллекторный, синхронный и асинхронный. Рассмотрим их на примере моделей двигателя.

Коллекторная машина. В машине на рис. 12 А выводы рамки подключены к двум полукольцам (простейший коллектор К), которые вращаются вместе с рамкой. С полукольцами в постоянном электрическом контакте находятся неподвижные щетки Щ; на щетки подается напряжение от источника постоянного тока. При любом положении и любой частоте вращения рамки верхний проводник подключается к "+" источника, а нижний - к "", что обеспечивает неизменное направление и и непрерывное вращение рамки.

Синхронная машина (рис. 12 Б). На неподвижной части машины (статоре) размещена обмотка (в простейшем случае - по типу рис. 9), питающаяся от трехфазного источника и создающая магнитное поле, вращающееся с частотой (на рис. 12Б изображено условно вращающимися магнитными полюсами). Выводы рамки подключены к кольцам, на которые через неподвижные щетки подается постоянное напряжение. Возникающий момент сохраняет неизменное направление, обеспечивая работоспособность устройства, только при вращении рамки с частотой (т.е. синхронно с полем); если, то периодически меняет направление и его среднее значение .

Асинхронная машина (рис. 12 В). Недостатков, связанных с наличием скользящего электрического контакта и свойственных коллекторной и синхронной машинам, лишен асинхронный двигатель. Обмотка статора выполнена так же, как и в синхронной машине, и создает магнитное поле, вращающееся с частотой . Рамка - короткозамкнутая.

Силовые линии магнитного поля, перемещаясь, пересекают проводники а, б рамки и наводят в них ЭДС (направление - согласно ППС, причем вектор относительной скорости проводников направлен в сторону, противоположную движению поля). Под действием в рамке течет ток , возникают электромагнитные силы и момент ; рамка приходит в движение в сторону вращения поля. При этом всегда меньше (отсюда название "асинхронный"). Равенство означало бы, что вращающееся поле относительно рамки неподвижно, следовательно .

4. Устройство и принцип действия машин

Рассмотренные модели электрических машин работоспособны, но неэффективны.

В реальных машинах количество рамок, как правило, больше одной, они обычно многовитковые (катушки, или секции, а в целом - обмотка) и располагаются равномерно по окружности.

На всем пути магнитного потока помещают ферромагнитный материал с высокой магнитной проницаемостью (так называемый "магнитопровод"), а проводники секций укладывают в пазы, специально выполненные для этого в магнитопроводе. Таким образом, на пути потока остается лишь один участок с низкой магнитной проницаемостью воздушный зазор между вращающейся частью машины - ротором и ее неподвижной частью - статором. Это позволяет резко снизить МДС, необходимую для создания требуемого потока .

Представление об эффективности магнитопровода дает обобщенная характеристика намагничивания (рис. 13), близкая к характеристикам наиболее распространенных электротехнических сталей. Из рис. 13 следует, что относительная магнитная проницаемость

ненасыщенной стали превышает 103. Это означает, что МДС обмотки, создающей магнитное поле, следовательно, ее объем, масса и потребляемая мощность благодаря использованию магнитопровода уменьшаются в тысячи раз.

Участки магнитопровода, в которых магнитный поток изменяется во времени и, следовательно, наводит ЭДС, выполняются шихтованными, т. е. набираются из листов электротехнической стали, изолированных электрически друг от друга. Изолированные промежутки между листами препятствуют протеканию вихревых токов и связанных с ними потерь энергии и нагрева машины. Дополнительному снижению вихревых токов способствуют специальные добавки в электротехнической стали, повышающие удельное электрическое сопротивление исходного материала в несколько раз.

Применяются и другие меры, направленные на повышение эффективности электрических машин.

Помимо активных частей (проводники обмоток, магнитопроводы, постоянные магниты), непосредственно участвующих в электромеханическом преобразовании энергии, в машинах предусмотрен также ряд важных узлов и деталей, которые обеспечивают её конструктивную целостность, связывают обмотки с внешней электрической цепью, осуществляют механическую связь с сопряженным устройством, электрически изолируют проводники обмоток друг от друга, от магнитопровода и конструктивных частей и т.д. К основным из них относятся: корпуса и щиты, подшипники, валы, коллекторы и контактные кольца, щетки и др.

Как уже отмечалось, любая электрическая машина обратима, т. е. может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах; однако в силу ряда причин асинхронные и коллекторные машины используются, главным образом, как двигатели, а синхронные - в качестве генераторов электроэнергии. Ниже рассмотрены именно эти варианты машин, причем в наиболее распространенных конструктивных исполнениях.

5. Асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутой обмоткой на роторе

Устройство. Асинхронная машина - это такая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Активная зона АД (рис. 14) содержит магнитопроводы (1) статора и (2) ротора. Поскольку магнитное поле в машине - переменное, магнитопровод набирают из листов (рис. 15) электротехнической стали, изолированных друг от друга электрически для уменьшение потерь на вихревые токи (шихтованный магнитопровод). В листах магнитопроводов выполнены пазы, в которых размещены обмотки.

Обмотка статора (3, рис. 14) - обычно трехфазная и в простейшем случае (рис. 9) состоит из трех одинаковых катушек AX, BY, CZ, сдвинутых друг относительно друга на угол 120; катушки соединены между собой в "треугольник" или "звезду" и питаются от трехфазной сети. Обмотка ротора (4, рис. 14) - короткозамкнутая, состоит из электропроводящих стержней, заполняющих пазы и замкнутых накоротко кольцами по торцам магнитопровода (рис. 16). Зазор между магнитопроводами ротора и статора для уменьшения его магнитного сопротивления делают минимально возможным; с этой же целью головки зубцов обоих магнитопроводов выполняются расширенными (рис. 14, 15).

Работа. При подключении трехфазного напряжения к обмотке статора она создает магнитное поле, вращающееся с угловой скоростью (рис. 17). Силовые линии этого поля, пересекая проводники обмотки ротора, наводят в них, согласно закону электромагнитной индукции (ЗЭИ), ЭДС

(направление - согласно правилу "причина-следствие" (ППС), причем вектор относительной скорости направляется в сторону, противоположную ). Поскольку обмотка ротора представляет замкнутую электрическую цепь, в ней потечет ток . Так как проводники с током обмотки ротора находятся в магнитном поле, на них будут действовать электромагнитные силы (направление по ППС); совокупность обусловит вращающий момент . Как видно из рис. 17, он направлен в сторону вращения поля.

Если больше противодействующего момента , ротор придет в движение и начнет увеличивать скорость . С ростом разность (относительная скорость ) уменьшается, следовательно, снижаются , , , . При перестает расти: двигатель вышел на установившийся режим.

Краткая запись процесса пуска двигателя:

;

.

Ясно, что в рассматриваемом, двигательном, режиме ; это неравенство характеризуется понятием "скольжение"

.

Реакция на изменение нагрузки (). Пусть (т. е. ) если

.

Таким образом с ростом нагрузки уменьшается, а потребляемый ток растет, увеличивая нагрев обмоток. Номинальная нагрузка определяется номинальным тепловым состоянием машины.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, благодаря простоте устройства, имеет высокую надежность и ресурс, низкую стоимость, малые габариты и массу. Широко применяется на атмосферных и космических ЛА, является наиболее распространенным типом электродвигателя на земле.

6. Коллекторный двигатель постоянного тока

Устройство. На статоре машины (рис.18) расположены ферромагнитные полюса с катушками обмотки возбуждения. Полюса закреплены на корпусе, который служит одновременно частью магнитопровода статора. Ротор состоит из шихтованного магнитопровода в пазах которого уложена обмотка якоря (ОЯ) и коллектора. Обмотка якоря представляет собой совокупность одинаковых катушек секций, равномерно расположенных по окружности якоря. Ширина секции равна примерно полюсному делению, так что если одна ее сторона находится под одним полюсом (), другая в это время - под другим (). Коллектор состоит из электропроводящих пластин, электрически изолированных друг от друга. Секции ОЯ соединены последовательно, образуя замкнутую электрическую цепь; каждое соединение подключено к коллекторной пластине. Связь вращающейся ОЯ с источником питания осуществляется через неподвижные щетки, которые находятся в гнездах и прижимаются к коллектору пружинами.

Стороны полюсов, обращенные к зазору ("полюсные наконечники"), - расширены, что позволяет охватить магнитным потоком одновременно большее количество проводников ОЯ, повысив тем самым эффективность устройства.

Схемы укладки и соединения секций ОЯ между собой и с коллекторными пластинами, а также место установки щеток, таковы, что при любом положении ротора обеспечивается требуемое направление тока в проводниках ОЯ: под одним полюсом - одно, под другим - другое. Направление тока в каждой секции поочередно переключается щеточно-коллекторным узлом при прохождении ее сторонами межполюсного промежутка.

Работа. При подаче напряжения на двигатель по обмотке возбуждения протекает ток

,

который создает основной магнитный поток (направление - по правилу "буравчика" - рис.), а по обмотке якоря - начальный (пусковой) ток

.

На проводники действуют электромагнитные силы ; совокупность сил обусловливает вращающий электромагнитный момент .

Если , ротор придет в движение с увеличивающейся скоростью . При этом проводники ОЯ начнут пересекать линии и в них наведется ЭДС, направленная встречно по отношению к (и ) и увеличивающаяся с ростом . С этого момента ток якоря определяется выражением

и уменьшается по мере роста , снижая и . При двигатель выйдет на установившийся () режим:

;

.

Реакция на изменение нагрузки. Пусть (). Если

.

Таким образом, изменение момента (мощности) нагрузки покрывается за счет изменения тока (мощности), потребляемой по цепи обмотки якоря.

Коллекторный двигатель имеет лучшие, чем у асинхронных пусковые, перегрузочные, регулировочные свойства, может работать от сети постоянного и переменного тока; при питании от однофазной сети 50 Гц, а также работе в кратковременных режимах, может иметь меньшие, чем у асинхронного двигателя массу и габариты. Недостатки двигателя связаны, в основном, с наличием щеточно-коллекторного узла, снижающего ресурс и надежность, ухудшающего массогабаритные показатели, ограничивающего области применения двигателя, являющегося источником радиопомех.

7. Синхронный генератор

Синхронная машина - это машина переменного тока, у которой частота вращения ротора и частота вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора, равны.

Основное применение синхронных машин, как уже отмечалось, - в генераторном режиме. Более того: почти вся электроэнергия на земле и атмосферных ЛА вырабатывается машинами именно этого типа. Синхронный генератор (СГ) - весьма совершенное энергетическое устройство: удельная масса авиационных СГ составляет 0,3…0,25 кг/кВА и менее.

Как следует из закона электромагнитной индукции, для получения ЭДС необходимо создать магнитное поле и обеспечить относительное перемещение (вращение) силовых линий этого поля и проводников. Магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов или проводников с током, а вращение ротора на ГЭС - гидротурбинами, на тепловых и атомных станциях - паровыми турбинами, на атмосферных ЛА и в автомобилях - от авиа- и автомобильных двигателей и т.д. Во всех случаях механическая мощность двигателей преобразуется в электроэнергию переменного тока.

Устройство. На рис. Представлена упрощенная конструкция синхронного генератора. Статор СГ не отличается принципиально от статора асинхронной машины: он имеет шихтованный магнитопровод, в пазах которого размещена трехфазная обмотка якоря ОЯ. Ротор состоит из шихтованного явнополюсного магнитопровода (на рис. - с одной парой полюсов: ) с сосредоточенной обмоткой возбуждения, которая через контактные кольца и щетки подключается к источнику постоянного напряжения, и потребляя ток , создает магнитное поле .

Работа. Если, приложив момент , привести ротор во вращение, то силовые линии магнитного поля , перемещаясь вместе с ротором, будут пересекать поочередно проводники фаз , , обмотки якоря и наводить в них ЭДС еА, еВ, еС (направления - на рис.).

При подключении к обмотке якоря нагрузки в фазах образовавшейся цепи потечет ток и выделится электрическая мощность . Одновременно появится электромагнитная сила , действующая со стороны ротора на проводники ОЯ; такая же по величине, но противоположно направленная сила действует со стороны проводников на ротор, обусловливая электромагнитный момент тормозного характера. Рост нагрузки ( и, соответственно, ) увеличивает , заставляя повышать вращающий момент и подводимую мощность .

Краткая запись рабочего процесса

;

таким образом

.

Уровень выходного напряжения генератора при изменении нагрузки и в силу других причин может изменяться. Для поддержания его в заданных пределах изменяют , воздействуя на и, следовательно, .

Форма ЭДС в фазах ОЯ должна быть возможно ближе к синусоидальной, для чего принимают ряд мер. В частности, поскольку , поверхности полюсов, обращенные к зазору, профилируют таким образом, чтобы рабочий зазор между полюсом и статором был минимальным (индукция максимальна) у середины полюса и увеличивался к ее краям, плавно уменьшая и приближая форму к синусоидальной.

Взаимные фазы . При одному обороту ротора соответствует один период изменения ЭДС. Так как обмотки фаз сдвинуты друг относительно друга на треть окружности, фазы еА, еВ, еС отличаются на треть временного периода. Так, если

,

то , .

Частота ЭДС при равна частоте вращения ротора: [с^-1]. В частности, для получения ЭДС частотой 400 Гц (борт атмосферных ЛА) ротор должен вращаться с частотой 400 с^-1 = 24 000 мин^-1. Чтобы уменьшить n (повысить надежность, ресурс…) машину выполняют многополюсной (). На рис. приведена электромагнитная схема генератора с : ротор имеет две пары полюсов, а обмотка якоря каждой пары полюсов расположена в пределах полуокружности (сравнить с рис.). В этом случае за один оборот ротора происходит два полных периода изменения ЭДС якоря

.

В общем случае

.

Размещено на Allbest.ru

...