Электрические машины

Среднее значение ЭДС, наводимое в каждой фазе обмотки  статора:

Еср = c∙n∙Φ (9.2)

n – скорость  вращения ротора;

Φ – максимальный магнитный поток, возбуждаемый в  синхронной машине;

c – постоянный  коэффициент, учитывающий конструктивные  особенности данной машины.

Напряжение на зажимах генератора:

U = E - I∙z, где

I – ток в  обмотке статора (ток нагрузки);

Z – полное  сопротивление обмотки (одной  фазы).

Для точной подгонки амплитуды ЭДС величину магнитного потока регулируют путём изменения  тока в обмотке возбуждения. Синусоидальность ЭДС обеспечивают приданием определённой формы полюсным наконечникам ротора в явнополюсных машинах. В неявнополюсных машинах нужного распределения магнитной индукции добиваются путём особого размещения обмоток возбуждения на поверхности ротора.

Для частей синхронной машины применяются те же наименования, что и для машин постоянного  тока: якорем называется та её часть, в  обмотке которой индуцируется ЭДС. В синхронных машинах с неподвижной  обмоткой переменного тока статор служит якорем. Индуктором, т.е. той её частью, которая возбуждает основной магнитный поток, является ротор. Магнитная система синхронного генератора в режиме холостого хода состоит из магнитного потока полюсов, который индуцирует ЭДС в обмотке статора. После включения нагрузки в трёхфазной обмотке статора возникает ток, который создаёт своё вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля равна скорости вращения магнитного поля полюсов. Полный магнитный поток синхронной машины при нагрузке складывается из магнитных потоков статора и ротора. Магнитное поле статора, накладываясь на магнитное поле ротора, может либо ослаблять, либо усиливать его. Влияние магнитного поля статора на магнитное поле ротора называется реакцией якоря. Реакция якоря различна при различных нагрузках. В случае активной нагрузки общий магнитный поток генератора несколько увеличивается, и ЭДС генератора возрастает.

В случае индуктивной  нагрузки общий магнитный поток  генератора уменьшается.

При ёмкостной  нагрузке ЭДС увеличивается.

Реакция якоря  в синхронной машине приводит к изменению  суммарного магнитного потока и ЭДС, что нежелательно. Для уменьшения реакции якоря увеличивают зазор  между статором и ротором и  одновременно увеличивают ток и  число витков обмотки возбуждения. Это приводит к уменьшению магнитного потока якоря за счёт увеличения магнитного сопротивления машины при неизменном общем магнитном потоке. На практике при всяком изменении нагрузки с помощью автоматики изменяют ток возбуждения, что существенно ослабляет реакцию якоря.

 
 
 
 
 

Принцип действия электродвигателя постоянного тока основан на том, что на проводник  с током, находящийся в магнитном  поле, действует сила направление  которой определяется по правилу  левой руки.

Магнитное поле двигателя постоянного тока получается с помощью расположенной на полюсах обмотки возбуждения или с помощью полюсов постоянного магнита.

Полюса закреплены на цилиндрической стальной боковой  поверхности, которая одновременно является корпусом электродвигателя и  частью магнитной цепи. Эта часть двигателя, где создаётся магнитное поле, называется индуктором. Ток проходит через обмотку, которая расположена в пазах изготовленного из листовой электротехнической  стали ротора. Эта часть двигателя называется якорем, а обмотка – обмоткой якоря. При вращении обмотки в магнитном поле сила, действующая на витки обмотки, зависит от расположения витков. На рисунке 8.5.1 показано действие силы, если обмотка состоит из одного витка.  

Рис. 8.5.1.   

Чтобы якорь  вращался, необходимо через каждые пол-оборота изменять направление  тока в обмотке якоря на 180˚. Это  делается на нейтральной линии, где  силы, действующие на половины обмотки якоря равны и противоположны по направлению, поэтому вращающий момент равен нулю. Для этого на валу двигателя находится коммутатор, который вращается вместе с обмотками якоря и назначение которого коммутировать ток (или изменять его направление).   

Рис.8.5.2.   

Коммутатор состоит  из двух изолированных друг от друга  полудуг (или коллекторных пластин) рис.8.5.2. С ними соединены концы обмоток якоря. Ток к обмотке якоря подводится с помощью графитовых (или металлографитовых) щёток, между которыми вращаются коммутирующие коллекторные пластины. Таким образом, на нейтральной линии меняется направление тока в обмотке якоря. Каждая обмотка якоря соединена с двумя пластинами. Чем больше обмоток на якоре, тем больше скорость его вращения. 

Все рабочие  характеристики двигателя постоянного  тока, как и генератора, зависят  от способа включения цепи возбуждения  по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным и, наконец, они могут быть независимы друг от друга.  

Двигатели с параллельным возбуждением.                                      

        

Здесь обмотка  возбуждения и обмотка якоря  соединены параллельно. Обмотка  возбуждения имеет большее количество витков, чем обмотка якоря, поэтому ток обмотки возбуждения в большинстве случаев составляет несколько процентов от тока якоря. В цепь обмотки возбуждения может включаться регулировочный реостат. В цепь якоря включается пусковой реостат ПР.

Двигатель с независимым  возбуждением.  

Если обмотку  возбуждения подключить к другому  источнику постоянного напряжения, то получим двигатель с независимым возбуждением. Такими же свойствами обладают электродвигатели с постоянным магнитом.

Скоростная характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением – это зависимость  n = f ( Iя ) при U = const и Iе = const, где

n - скорость

Iя - ток якоря

Iе - ток возбуждения.

Рис.8.5.4. Скоростная характеристика.

Изменение скорости вращения может происходить за счёт изменения нагрузки и магнитного потока. Увеличение тока нагрузки незначительно изменяет внутреннее падение напряжения из-за малого сопротивления цепи якоря и поэтому лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что же касается магнитного потока, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости двигателя. Таким образом, скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением изменяется очень мало. Скорость вращения двигателя определяется формулой:                                                

n = (U – IяRя) / c∙Φ, где

c – коэффициент,  зависящий от устройства машины.

Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением можно регулировать либо изменением сопротивления в цепи якоря, либо изменением магнитного потока. Следует отметить, что чрезмерное уменьшение тока возбуждения и, особенно, случайный обрыв этой цепи очень опасны для двигателей с параллельным и независимым возбуждением, т.к. ток в якоре может возрасти до недопустимо больших значений. При небольшой нагрузке (или на холостом ходу) скорость может настолько возрасти, что станет опасной для целостности двигателя.

Двигатель с последовательным возбуждением.

 

 

У такого двигателя  ток якоря является одновременно и током возбуждения, т.к. обмотка  возбуждения включена последовательно с якорем. По этой причине магнитный поток двигателя изменяется с изменением нагрузки. Скорость двигателя :  

n =[ U – Iя (Rя  + Rв)] / c∙Φ, где

Rя – сопротивление  якоря

Rв – сопротивление  обмотки возбуждения.

Скоростная характеристика двигателя посл. возбуждения.

На этом графике  представлена скоростная характеристика двигателя последовательного возбуждения.

Из этой характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение  на сопротивлении обмоток при  одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Поэтому такие двигатели не следует пускать вхолостую или с малой нагрузкой. Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент или способность выдерживать кратковременные перегрузки. Они используются в качестве тяговых двигателей в трамваях, троллейбусах, метро и электровозах, а также на подъёмных кранах и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры). 

Двигатель со смешанным возбуждением.

 

 

На каждом полюсе такого двигателя имеются две  обмотки – параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение). Формулы для скорости вращения и вращающего момента для такого двигателя:  

n = (U –  Iя ∙ Rя )  / c∙( Φпарал. +/- Φпосл.)  

М = c ∙ Iя  ∙ (Φпарал. +/- Φпосл.)

В зависимости от соотношения магнитных потоков двигатель со смешанным возбуждением по своим свойствам приближается либо к двигателю с последовательным возбуждением, либо к двигателю с параллельным возбуждением. Как правило, у таких двигателей последовательная обмотка является главной (рабочей), а параллельная – вспомогательной. Благодаря наличию магнитного потока параллельной обмотки, скорость такого двигателя не может сильно возрастать на малых нагрузках. Двигатели с согласным включением применяются, когда необходим большой пусковой момент и регулировка скорости при переменных нагрузках. Двигатели со встречным включением обмоток применяются в тех случаях, когда необходима постоянная скорость при изменяющейся нагрузке.

Для изменения направления  вращения двигателя  постоянного тока надо изменить направление тока либо в обмотке возбуждения, либо в обмотке якоря. Изменением полярности на клеммах машины можно поменять направление вращения только в  двигателе с постоянным магнитом или независимым возбуждением. В других двигателях надо изменить направление тока либо в якорной обмотке, либо в обмотке возбуждения. Двигатель постоянного тока нельзя включать подсоединением полного напряжения. Пусковой ток машин постоянного тока где-то в 20 раз превышает номинальный ток (он тем больше, чем больше и быстрее мотор). В больших машинах пусковой ток может превышать номинальный ток в 50 раз.

Большой ток  вызывает в коллекторе круговое искрение и разрушает коллектор. Для включения  применяют плавное увеличение напряжения или пусковые реостаты. Прямое включение  допускается при низких напряжениях  в случае маленьких двигателей, у  которых сопротивление обмотки якоря большое. 

Трансформатор 
 

Трансформатор – это статический  электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии  переменного тока одного напряжения в  электрическую энергию  переменного тока того же или иного  напряжения при неизменной частоте.

Трансформатор состоит из 2-х основных частей: магнитопровода (сердечника) и обмоток.

Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих  при перемагничивании, сердечники собирают из тонких пластин толщиной 0,3 – 0,5 мм трансформаторной стали. Пластины изолируют друг от друга, покрывая их изолирующей плёнкой.  

  

Простейший трансформатор состоит из сердечника и двух обмоток – первичной и вторичной. Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение U₁, то в ней появится некоторый ток i₀₁, который создает в сердечнике магнитный поток Φо. Этот поток наведёт в обеих обмотках ЭДС индукции e₁ и e₂:   

e₁ = - w₁ ;

e₂ = - w₂ , где

w₁ и  w₂ – число витков в первичной и вторичной обмотках.

Если приложенное  напряжение U₁ = U_m1∙ sinωt,

то в идеальном  трансформаторе (без потерь) его  первичная обмотка будет представлять собой чистую индуктивность, и ток будет отставать по фазе от напряжения на угол 90˚.