Материалы МДК 1.01 "Электрические машины" , для студентов , обучающихся по специальности 08.02.09

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

КУРС ЛЕКЦИЙ

История развития электрических машин. Назначение электрических машин. Основные законы физики и электротехники в применении к теории электрических машин.

История развития электрических машин. История развития электрических машин насчитывает более 100 лет. Ее начало можно отнести к 1831 году, когда М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции.

В 1833 году русский ученый Э.Х. Ленц обобщил закон Фарадея, сформулировав его в виде известного в физике правила Ленца. Он открыл принцип обратимости преобразования электрической энергии в механическую, объяснил явление реакции якоря, заложив таким образом основы теории электрических машин.

Русский ученый Б.С. Якоби в 1834 году изобрел первый в мире двигатель постоянного тока с вращающимся якорем, а в 1838 г. построил электродвигатель мощностью 0.75 л.с. и применил в качестве лодочного мотора. Якоби изобрел также коллектор для выпрямления тока, открыл появление обратной ЭДС при вращении двигателя.

В 1876 г. русский изобретатель П.Н. Яблочков создал однофазный трансформатор с разомкнутым стальным сердечником, использовав его для питания изобретенных им дуговых свечей переменного тока. По сути он является изобретателем первого в мире трансформатора и основоположником применения переменного тока в практической электротехнике.

Направление этой силы определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки поместить в магнитном поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а вытянутые пальцы располо­жить по направлению тока в проводнике, то большой палец, отогну­тый в плоскости ладони на 90°, покажет направление действия элект­ромагнитной силы F.

Из рассмотренных основных законов электротехники можно сде­лать вывод, что электрические машины обратимы, т. е. если в маг­нитном поле вращать виток, то в нем будет индуктироваться э. д. с, а если пропустить по витку ток, то виток будет вращаться в магнит­ном поле.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО МАШИН

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Принцип действия генератора

Рассмотрим принцип действия простейшего генератора. Между двумя полюсами N и Sмагнита помещен виток, намотанный на стальной цилиндр (рис. 5, а). Концы витка присоединены к двум коль­цам,на которых установлены неподвижные щеткиА и Б. Силовые линии поля направлены радиально по отношению к стальному ци­линдру. Воздушный зазор между полюсами и цилиндром везде оди­наков. При такой конструкции направление движения проводника всегда перпендикулярно к направлению магнитных силовых линий, а магнитная индукция в воздушном зазоре распределена равномерно.

Рис. 5. К объяснению принципа действия простейшего генератора переменного тока: а) – схема генератора; б) – график э.д.с.

Если при помощи какой-либо внешней силы цилиндр вместе с вит­ком вращать в магнитном поле полюсов, тов соответствии с законом электромагнитной индукции в активных сторонах ави вгвитка индуктируются переменные повеличине и направлениюэ. д. с. Когда виток абвграсположен горизонтально, э. д. с. в нем не возникает, так как виток движется в пространстве вне сферыдействия магнит­ного поля полюсов. Когда жевиток движется под полюсами, в его ак­тивных сторонах наводятся э. д. с, направления которых могутбыть определены по правилу правой руки. Так, если сторона абвитка движется под северным полюсом, то э. д. с. здесь направлена за плоскость чертежа;в это время в проводнике вг э. д. с. направлена противоположно. Про­цесс изменения во времени индук­тированной в витке э. д. с. иллю­стрируется графиком, изображен­ным на рисунке 5, б.

Для выпрямления тона приме­няют специальное устройство - коллектор. Простейший коллектор представляет собой два изолированных полукольца, к которым присоединяют концы вращающегося в магнитном поле витка.

Рис. 6. К объяснению принципа действия Рис. 7. Принципиальная схема

Тока: а) схема генератора; б) график э.д.с тока

Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в витке э. д. с. равна нулю.

Щетка А соприкасается всегда с тем полукольцом, провод от кото­рого проходит под северным полюсом, а щетка Б — с полукольцом, провод от которого проходит под южным полюсом. Поэтому во внеш­ней цепи ток проходит водном направлении: от положительной (+) щетки Б котрицательной (-) щетке А. График выпрямленной э. д. с. изображен на рисунке 6, б.

Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. При одном витке значения э. д. с. и тока изменяютсяот нуля до максимума. Увеличение числа витков, намотанных на барабан, и коллекторных пластин снижает пульсацию выпрямленных тока и э. д. с. Так,в двухполюсной машине с коллектором из 16 пластин пульсацияэ. д. с. составит менее 1%.

Существуют и бесколлекторные машины постоянного тока, напри­мер униполярные. Если в магнитном поле при помощи внешней силы вращать металлический диск, то в нем будет индуктироваться э. д. с. (рис. 7). Применив правило правой руки, можно убедиться, что вра­щению диска по часовой стрелке соответствует направление э. д.с. от оси диска к его периферии. Если к щеткам, установленным на оси и по окружности диска, присоединить нагрузку, то в цепи появится постоянный ток.

Коллектор изготовляют из медных (с примесью кадмия около1%) пластин 7, прочно прикрепленных стяжными болтами к корпусустальной втулки 1 (рис. 11). В нижней части 6 пластинам придана форма «ласточкина хвоста». Пластины, также называемые ламелями, изолированы одна от другой и от втулки миканитовой (на основе слюды, склеенной лаками) изоляцией 4.

Вал якоря изготовляют из высокосортной стали. На вал тугой посадкой надевают подшипники качения, которые помещаются в под­шипниковых щитах. Таким образом, вал якоря при вращении через подшипники опирается на подшипниковые щиты. На пего насаживают вентилятор, предназначенный для охлаждения машины, а также шкив или соединительную муфту.

Скользящий контакт между вращающимися и неподвижными ча­стями машины создают при помощи коллектора и щеток (обычно угольно-графитовых, а в машинах постоянного тока низкого напря­жения –метало-угольных.)

Щетка помещается в обойме щеткодержателя и пружиной при­жимается к коллектору. Щеткодержатель закреплен на пальце траверсы, на которыйнадета втулка из изоля­ционного материала. Таким обра­зом, щеткодержатели изолированы от корпуса машины. Траверсу закрепляют на под­шипниковом щите стопорным бол­том. Чтобы изменить положение щеток относительно коллектора, траверсу поворачивают. Изготов­ляют ее из стали, а в машинах небольшой мощности иногда из пластмассы.

На станине закреплен клеммный щиток (доска зажимов), пред­назначенный для соединений проводов, отходящих от обмоток полю­сов машины и от щеток.

Клеммный щиток имеет панель из изоляционного материала, на которой установлены контактные болты. Щиток закрывают сверху крышкой.

На заводском щитке указаны: номинальная мощность машины (кВт), напряжение (В), скорость вращения вала якоря (об/мин), сила тока (А), режим работы, коэффициент полезного действия, наи­менование завода-изготовителя, заводской номер машины, год вы­пуска, номер ГОСТа, масса и другие данные в зависимости от типа и назначения машины.

ОБМОТКИ ЯКОРЯ И ИХ Э. Д С.

овременные машины постоянного тока выполняют только с яко­рями барабанного типа, в которых проводники укладывают в пазы, расположенные на наружной поверхности сердечника якоря.

Секцией (рис. 12) - основным элементом обмотки якоря — называют часть его обмотки, состоящую из нескольких витков и сое­диненную с двумя коллекторными пластинами, которые следуют друг за другом по схеме обмотки.

Рис. 12. Секция обмотки якоря

Две активные стороны секции уложены в пазы якоря и связаны между собой лобовыми соединениями.

Стороны секции располагают так, чтобы одна из них лежала под северным полюсом, а другая — под южным, т. е. на расстоянии по­люсного деления от первой. Тогда э. д. с, индуктируемые в проводах секции, складываются между собой.Полюсным делениемτ называют часть окружности якоря, приходящуюсяна одни полюс (рис. 13).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую систему, в которой секции соединены последовательно, для чего ккаждой коллекторной пластине припаивают конец одной секции и начало другой, следующей за ней по схеме обмотки.

Число пар полюсов в машине принято обозначать буквой р, тогда число полюсов равно 2р.

сли величину полюсного деления умножить на число полюсов, то их произведение дает длину окружности якоря, т. е.

2pτ = πD,

где D – диаметр якоря, м. Воображаемую линию, проходящую посредине между полюсами, называют геометрической нейтралью. При однойпаре полюсов геометрическая нейтраль перпендику­лярна оси полюсов. При большем числе пар полюсов количество нейтральных линий равно числу пар по­люсов. На нейтрали магнитная индукция В при от­сутствии нагрузки равна нулю.

В обмотках якоря различают следующие шаги по якорю (рис. 14):

- первый частичный шаг у₁- расстояние между началом и концом секции, т. е. ширина секции;

- второй частичный шаг у₂- расстояние между ко­нечной стороной одной секции и начальной стороной следующей за ней по схеме обмотки;

- результирующий шаг у - расстояние между на­чальными сторонами двух секций, следующих одна по схеме обмотки;

- шаг обмотки по коллектору у_k- расстояние между началом и концом секции по коллектору.

Рис. 14. Шаги петлевой обмотки

Шаги обмотки но якорю измеряют числом пропущенных проме­жутков между пазами, а шаг по коллектору - числом пропущенных изоляционных, прослоек.

В современных машинах ширину секции делают меньше величины полюсного деления (у₁<τ), что позволяет экономить медь в лобовых соединениях и улучшить условия коммутации.Такую секцию назы­вают секцией с укороченным шагом.

Назначение и классификация электрических машин

Электрические машины делятся на две большие категории: генераторы и двигатели. Генераторы служат для преобразования механической энергии в электрическую. Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую.

Электрические машины разделяют на машины постоянного и переменного тока. Машины переменного тока в свою очередь делятся на асинхронные и синхронные. Асинхронная машина была изобретена М.О.Доливо-Добровольским еще в 1888 году и до настоящего времени благодаря простоте своей конструкции распространена настолько широко, что является основой электропривода.

Электрические машины разделяют по мощности: машины большой мощности, средней мощности, малой мощности. Электрические двигатели малой мощности имеют особую конструкцию, о которой будет рассказано далее.

Электрические машины могут быть одно- и многоскоростными.

Электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. она обратима. Докажем это с помощью упрощенной схемы, состоящей из постоянного магнита, создающего постоянное магнитное поле, и проводника, символизирующего обмотку ротора электрической машины (рис.24).

В проводнике, пересекающем линии магнитного поля, индуцируется электрический ток. Его направление можно найти по правилу левой руки, а величина рассчитывается по формуле:

I = BVLsinб. (51)

I – сила тока, возникающего в проводнике;

В – величина магнитной индукции;

V – скорость перемещения проводника;

L – длина проводника;

sin б– синус угла между линиями магнитного поля и проводником.

В этом случае проводник в магнитном поле работает как элементарный генератор.

Если тот же самый проводник поместить в магнитное поле и пропустить по нему электрический ток, то на проводник будет действовать сила Ампера. Направление ее определяют по правилу правой руки. Проводник будет перемещаться перпендикулярно линиям магнитной индукции в направлении действия силы Ампера. Следовательно, электрическая энергия преобразуется здесь в механическую, а проводник работает как элементарный двигатель.

1 2

Рис.24. Принцип обратимости.

Причиной исключительно широкого распространения асинхронного двигателя являются простота конструкции и невысокая стоимость.

Основные части асинхронного двигателя изображены на рисунке 25. Двигатель состоит из статора 1 с рабочими обмотками, ротора 3 с лопастями вентилятора 2 и двух щитов с подшипниками для вала ротора и вентиляционными отверстиями 4.

Сердечник статора представляет собой цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы, расположенные параллельно оси двигателя. В эти пазы укладывается обмотка, к которой подводится трехфазное напряжение. В простейшем случае обмотка статора состоит из трех секций, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на 120. В этом случае создается двухполюсное вращающееся магнитное поле. Для создания четырехполюсного поля необходимо число секций обмотки увеличить до 6 и т.д. Начала и концы обмоток статора выводятся на щиток корпуса.

Ротор асинхронного двигателя представляет собой стальной цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали, с пазами, в которые уложена обмотка в виде «беличьего колеса». Такой ротор называют еще короткозамкнутым.

Рис.25. Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Таким образом, если способное вращаться вокруг оси «беличье колесо» поместить во вращающееся магнитное поле, то по закону электромагнитной индукции в его стержнях возникнут ЭДС и в короткозамкнутых витках возникнут токи. Эти токи, взаимодействуя согласно закону Ампера с вращающимся магнитным полем, создадут вращающий момент и приведут «беличье колесо» во вращение в ту же сторону, что и поле. Для увеличения вращающего момента короткозамкнутый ротор помещен внутри стального сердечника. По мере увеличения скорости ротора его скорость относительно поля статора уменьшается, что приводит к уменьшению величины индукционных токов. Ротор начинает приостанавливаться, его скорость относительно магнитного поля возрастает, что приводит к повышению величины индукционных токов и вращающего момента. В результате установится равновесие, при котором ротор будет вращаться с некоторой постоянной скоростью, которая меньше скорости вращения магнитного поля, т.е. вращение ротора будет асинхронным.

Недостатком асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором является большой пусковой ток, который превышает номинальный ток в 5 – 7 раз. Желая улучшить пусковые характеристики асинхронного двигателя, М.О. Доливо-Добровольский разработал двигатель с фазным ротором.

Асинхронный двигатель с фазным ротором имеет обычный для асинхронных двигателей статор с трехфазной обмоткой. Ротор также имеет трехфазную обмотку. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе звездой, а свободные их концы соединяются с тремя изолированными друг от друга кольцами, укрепленными на валу машины (рис.26).

Контактные кольца соприкасаются со щетками, укрепленными в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора замыкается на пусковой трехфазный реостат, который изменяет сопротивление обмотки ротора в момент пуска. Обмотка статора включается непосредственно в сеть.

Рис.26. Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором.

После разгона ротора пусковой реостат отключается с помощью специального автоматического замыкателя (рис.27). Для уменьшения потерь на трение в некоторых двигателях имеются приспособления для отвода щеток от контактных колец после их замыкания.

Одним из важнейших достоинств двигателя с фазным ротором является то, что в момент пуска создается большой вращающий момент при значительно меньших, чем у короткозамкнутых двигателей, пусковых токах. Пусковой ток будет превышать номинальный всего в 1,5 – 2 раза.

Регулирование скорости вращения ротора производится при помощи регулировочного реостата и осуществляется только в сторону уменьшения оборотов.

Рис.27. Схема включения двигателя с фазным ротором.

В быту и в технике часто нужны двигатели небольшой мощности, поэтому там используют так называемые однофазные двигатели. Статор такого двигателя имеет всего одну обмотку (иногда две) и питается от однофазной сети (рис.28). Пуск в ход однофазных двигателей осуществляется с помощью какого-либо пускового устройства. Работа этих устройств основана на свойстве двух магнитных потоков, смещенных в пространстве на 90 и сдвинутых по фазе на р/2, создавать вращающееся магнитное поле.

Рис. 28. Схема однофазного двигателя.

1) однофазные двигатели с пусковой обмоткой. В момент пуска пусковая обмотка замыкается кнопкой К, и в результате трансформаторной связи в ней возникает ток, сдвинутый по фазе относительно питающего тока почти на р/2. После разгона пусковая обмотка размыкается и в дальнейшем в работе двигателя не участвует.

2) конденсаторные двигатели. На время пуска пусковую обмотку подключают к сети с помощью кнопки К через конденсатор, благодаря которому ток в пусковой обмотке отличается по фазе от тока в рабочей обмотке на р/2, чем и обеспечивается разгон двигателя. В некоторых двигателях используются два параллельно включенных конденсатора. Оба они используются при запуске, а один из них остается включенным и во время работы двигателя, благодаря чему обе обмотки являются рабочими.