Принципы действия электрических машин.

Принцип действия машины постоянного тока.

Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле. Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e 1 и e 2, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е 1 – е 2.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под действием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки. На верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке.

При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности. Направление тока в проводниках витка изменяется на противоположное, а направление сил f, момента М вр и тока во внешней цепи не изменяется.

Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма. Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Принцип действия трансформатора.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения, то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот магнитный поток, сцепленный как с одной, так и с другой обмоткой, изменяясь, будет индуктировать в обмотках ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то значения индуктируемых в них ЭДС будут неодинаковы. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуктируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков.

Индуктируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. При подключении нагрузки в этой обмотке под действием индуктированной в ней ЭДС возникнет ток i 2, а на ее выводах установится напряжение u 2, которые будут отличаться от тока i 1 и напряжения u 1 первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке из электрической сети электрическая энергия с напряжением u 1 и током i 1 преобразуется в электрическую энергию с напряжением u 2 и током i 2.

Принцип действия асинхронной машины.

В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре 1, а вторую – на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой многофазную (или в частом случае трехфазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора AX, BY и CZ соединяют по схеме Y или D и подключают к сети трехфазного тока. Обмотку ротора 4 выполняют многофазной короткозамкнутой или трехфазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора.

Из курса теоретических основ электротехники известно, что при питании трехфазным синусоидальным током трехфазной обмотки статора возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения (об/мин) которого: n 1 =60f 1 /p, где f 1 – частота питающей сети; p – число пар полюсов.

Вращающееся магнитное поле индуцирует в проводниках замкнутой накоротко обмотки ротора ЭДС E 2 и по ним проходит ток I 2. На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарное усилие F рез, приложенное ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент M, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем.

Если электромагнитный момент M достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения n 2 соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемому приводимым во вращение механизмом и внутренними силами трения. Такой режим работы асинхронной машины является двигательным. В этом случае обмотка статора питается от сети, а вал ротора передает механический момент на какой- либо механизм. В такой машине электрическая энергия преобразуется в механическую.

Если ротор асинхронной машины разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты n 2, большей частоты вращения магнитного поля n1, то изменится направление ЭДС в проводниках ротора и активной составляющей тока ротора. При этом изменит своё направление электромагнитный момент M, который станет тормозящим, т.е. асинхронная машина перейдёт в генераторный режим.

Принцип действия синхронной машины

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора, и имеет две основные обмотки. Одна обмотка подключается к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмоткой возбуждения. Иногда у машин небольшой мощности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами. Другая обмотка является обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из одной, двух или трех обмоток фаз. Наибольшее распространение в синхронных машинах нашли трехфазные обмотки якоря.

В синхронных машинах чаще всего находит применение конструкция, при которой, обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения - на роторе (рис. 1). Синхронные машины небольшой мощности иногда имеют обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения - на полюсах статора (рис. 2). В электромагнитном отношении обе конструкции равноценны.

Однако из практических соображений более предпочтительной является первая конструкция, так как в этом случае к скользящим контактам на роторе подводится мощность возбуждения, составляющая 0,3-3 % номинальной мощности машины. Во втором варианте скользящие контакты следовало бы рассчитывать на полную мощность машины. Для мощных машин, имеющих относительно высокое напряжение и большие токи, обеспечить удовлетворительную работу таких контактов весьма затруднительно. В дальнейшем будут рассматриваться синхронные машины, выполненные по первому (основному) конструктивному варианту.

Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируются ЭДС, образующие трехфазную систему. Частота индуктируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п: f 1 =pn/60.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка якоря присоединяется к трехфазной сети. При этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения n 1. Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы этот момент имел одно и то же направление, поля должны быть неподвижны относительно друг друга. Это имеет место, если ротор и, следовательно, его магнитное поле вращаются с частотой, равной n 1. Поэтому в синхронном двигателе ротор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения поля n 1.

Конец