Лекция № 18 Классификация и принцип работы типовых электрических устройств. Асинхронные двигатели и генераторы
Классификация электрических машин
Электрическая машина — это электромеханический преобразователь энергии, основанный на явлениях электромагнитной индукции и силы Ампера, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.
По направлению преобразования энергии электрические машины разделяют на:
· генераторы, если основным является преобразование кинетической энергии в электрическую с побочным выделением тепла;
· двигатели, если основным является преобразование электрической энергии в кинематическую с побочным выделением тепла;
· трансформаторы, если основным является преобразование электрической энергии с одними параметрами в электрическую с другими с побочным выделением тепла;
По принципу действия выделяют такие типы машин:
· Асинхронная машина — электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля в воздушном зазоре на частоту скольжения.
· Синхронная машина — электрическая машина переменного тока, в которой частоты вращение ротора и магнитного поля в зазоре равны.
· Машина двойного питания — электрическая машина переменного тока, в которой ротор и статор в общем случае имеют разные частоты питающего тока. В результате ротор вращается с частотой, равной сумме (разности) питающих частот.
· Машина постоянного тока — электрическая машина, питаемая постоянным током и имеющая коллектор.
· Универсальный коллекторный двигатель — электрическая машина, питаемая постоянным или переменным током и имеющая коллектор.
· Вентильный двигатель — электрическая машина постоянного тока, в которой механический коллектор заменён полупроводниковым коммутатором (ПК), возбуждение осуществляется от постоянных магнитов, размещенных на роторе; а статорная обмотка, как в синхронной машине. ПК по сигналам логического устройства поочерёдно, в определённой последовательности, попарно подключает фазы электродвигателя к источнику постоянного тока, создавая вращающееся поле статора, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита ротора, создаёт вращающий момент электродвигателя.
· Умформер на базе электрической машины — как правило, пара электрических машин, соединённых валами, выполняющих преобразование рода тока (постоянный в переменный или наоборот), частоты тока, числа фаз, напряжений.
· Сельсин — электрическая машина для дистанционной передачи информации об угле поворота.
· Трансформатор — электрический аппарат переменного тока (электрический преобразователь), преобразующий электрический ток напряжения одного номинала в электрический ток напряжения другого номинала. Существуют статические и поворотные трансформаторы.
Устройство и принцип работы асинхронных машин
Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1889 году.
Применяют в металлорежущих станках и деревоперерабатывающих станках, насосах, лебедках, подъемных кранах и другом оборудовании.
Асинхронный двигатель – предназначен для преобразования электрической энергии в механическую энергию на валу.
Асинхронный двигатель состоит из статора и подвижной части ротора.
Статор состоит из литого корпуса, внутри которого помещен сердечник (1), собранный из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга, для уменьшения магнитных потерь.
Сердечник представляет собой полый цилиндр. В пазы сердечника помещена 3-х фазная обмотка (2). Обмотка состоит из 3-х фаз, смещенных по окружности статора на 120°.
Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трехфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 380/220, Y/Δ. Данный двигатель можно включать в сеть с U л=380В по схеме «звезда» или в сеть с U л=220В — по схеме «треугольник»
Ротор – подвижная часть, состоит из сердечника (3) размещенного на валу и обмотка (4).
В зависимости от конструкции обмотки ротор бывает:
Короткозамкнутый ротор
Состоит из сердечника (1). Сердечник набран из листов электротехнической стали (2), в пазы сердечника укладывают стержневую обмотку (3). Здесь каждая пара диаметрально противоположных стержней с соединительными кольцами (4) представляет собой рамку, т.е. короткозамкнутый виток. Поэтому такой ротор называется короткозамкнутый. Закон Ампера с вращающимся магнитным полем, создадут вращающий момент и приведут ротор в асинхронное вращение в туже строну, что и поле.
Фазный ротор
Фазный ротор состоит из листов (1). Пазы сердечника укладываются в 3-х фазную обмотку (2).
Обмотка распределена на 3 группы, со смещение по окружности ротора на 120° (всегда соединяется по схеме звезда).
Начало фаз обмотки выводят на проводящие кольца (3), кольца изолируют друг от друга и от вала.
При помощи щеточного контакта (4) к обмотке ротора подключают регулировочный реостат R (5).
Изменение значения Rв цепи ротора позволяет:
· Регулировать пусковой момент;
· Уменьшить пусковой ток;
· Регулировать частоту вращения вала.
Вращающееся магнитное поле:
Обмотка статора состоит из 3-х групп катушек, смещенных по окружности статора на угол 120°, и подключается к 3-х фазной системе ЭДС, где ток каждой фазы смещен во времени на 1/3 периода (120°).
Совокупность двух условий: смещение тока в пространстве и во времени – обеспечивают соединение в обмотке статора вращающегося магнитного поля.
При подключении обмотки статора к источнику 3-х фазной ЭДС, в обмотке статора создается вращающееся магнитное поле. Линия магнитного поля пересекая замкнутую обмотку ротора индуцирует в ней ЭДС.
ЭДС в замкнутой обмотке ротора вызывает ток. Ток обмотки ротора взаимодействуя с вращающимся полем приводит ротор во вращение. Ротор вращения направляет вращение магнитного поля.
n1 = 60f1/р;
Где n1 – частота вращения магнитного поля;
f1- частота сети;
P – число пар полюсов, определяется числом катушек в каждой фазе обмотке статора.
Частота вращения ротора будет меньше, чем частота вращения магнитного поля, поэтому машину называют асинхронной.
Большинство двигателей имеют 1-3 пары полюсов, реже 4. Большее число полюсов используется очень редко, такие машины имеют низкий КПД, но позволяют плавно и медленно вращать ротор.
Частота вращения ротора двигателей с короткозамкнутым ротором, регулируется либо переключением числа пар полюсов, либо изменением величины подводимого напряжения.
Частота вращения ротора двигателя с фазным ротором регулируется реостатом, включенным в обмотки ротора.