Основные электромагнитные схемы электрических машин




Электромагнитные схемы электрических машин различаются способом изменения магнитного поля. Простейшей схемой является схема однофазного трансформатора (рис. 1.6). Она состоит из двух обмоток (многовнтковых контуров), размещенных для лучшей маг­нитной связи на замкнутом магнитопроводе, выполненном из тонких листов электротехнической стали.

рис. 1.6

Если обмотку 1 включить на источник переменного то­ка с напряжением u1, то в стальном сердечнике возникнет переменный магнитный поток Ф, и в соответствии с законом

ЭДС е2 можно использовать как источник нового напряжения u2≈ -e2 Если ω21, то трансформатор называется повышающий, в противном случав - понижающим.

В энергетике широкое распространение получила система трехфазного тока. Для его трансформирования применяют трехфазные трансформаторы. Конструктивно трехфазные трансформаторы выполняются в виде трех отдельных трансформаторов (рис. 1.7а) либо все три трансформатора объединяются в один (рис 1.7б). Конструкция (рис1.7в) имеет лучшие массо-габарнтные показатели, но в ней магнитные процессы отдельных фаз влияют друг на друга, что необходимо учитывать при проектировании.

Особенностью электромагнитных процессов в трансформаторе является, то что магнитное поле трансформатора меняется во времени. Однако если трехфазную обмотку расположить в пространстве так, чтобы магнитные оси фаз были сдвинуты по отношению друг ж другу на 120° (рис 1.8), и подключить ее к источнику переменного трехфазного тика, то ось результирующего магнитного поля та­кой системы обмоток будет перемещаться в направлении чередования фаз.

За один период изменения тока поле совершает одни оборот. Если обозначить число оборотов магнитного поля в минуту через n1, то

(1.9)

где f 1 - частота переменного тока.

Соотношение (1.9) справедливо для двухполюсного магнитного поля. При большем числе полюсов период магнитного поля снижается и, следовательно, уменьшается частота вращения поля

(1.10)

где р - число пар полюсов магнитного поля, создаваемого трехфазной обмоткой.

Рис.1.7

Рис.1.8 рис.1.9

Рассмотренный принцип образования вращающегося магнитного поля используете* во всех электрических машинах переменного тока. Наиболее распространенной являете* трех­фазная асинхронная машина (рис. 1.9). Ее магнитная система выполнена в виде двух концен­трических цилиндров. Внутренний цилиндр укреплен на валу и называется ротором. Внеш­ний цилиндр неподвижен и называется статором.

На внутренней поверхности статора в специальных пазах укладывается трехфазная об­мотка, создающая вращающееся магнитное поле. На схеме такая обмотка изображается со­средоточенной в виде трех катушек, расположенных по магнитным осям соответствующих фаз. Обмотка ротора обычно выполняется короткозамкнутой в форме беличьей клетки. Воз­душный зазор между статором и ротором для получения лучшей магнитной связи между об­мотками выполняется минимальным.

При вращении магнитного поля в обмотке ротора наводится ЭДС е2 и возникает ток i2. ЭДС e2 в зоне действия северного полюса будет направлена от нас, а южного - к вам. Направление тока »2 для простоты примем совпадающим с ЭДС е2. Взаимодействие тока i2 с потоком Ф приведет к появлению силы f e, которая будет действовать на каждый проводник обмотки ротора. Эти силы создадут вращающий момент Ме, и ротор начнет вращаться в ту же сторону, что и поле статора. Но достичь частоты вращения поля статора ротор не сможет, так как в этом случае ЭДС e2 становится равной нулю, и электромагнит­ный момент исчезает. Относительная разность частот ротора и поля статора называется скольжением,

Величина скольжения определяется внешним моментом на валу асинхронной машины. С увеличением момента скольжение возрастает. Если внешний момент будет действовать в направлении вращения, то частота вращения ротора превысит n1, скольжение станет отри­цательным, и асинхронная машина перейдет из двигательного режима в генераторный. В этом состоит суть принципа обратимости вращающихся электрических машин. Зависимость частоты вращения ротора от величины момента является отличительным признаком асин­хронной машины. Скольжение определяет частоту ЭДС и тока в роторе:

Если обмотку ротора подключить к источнику переменного тока частоты f2, то часто­та вращения ротора не будет зависеть от нагрузки:

 

Рис.1.10

Электрическая машина, частота вращения которой находится в строгом соответствии с частотой источника питания, называется синхронной. Пре­имущественное распространение получи­ли синхронные машины, у которых обмот­ка ротора включается на постоянное на­пряжение (f 2 = 0). В этом случае частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора:

Электромагнитная схема такой син­хронной машины имеет вид, представ­ленный на рис. 1.10. Обмотку ротора, пи­таемую постоянным током, называют об­моткой возбуждения. Питание подается от внешнего источника (возбудителя) через контактные кольца и щетки.

Если ротор такой машины привести во вращение, то магнитное поле Ф f, создаваемое обмоткой возбуждения,

будет вращаться вместе с ротором и наводить в обмотке статора ЭДС. При включении нагрузки по обмотке статора потечет ток i1 частоты f1, и синхронная машина будет работать в режиме генератора. Взаимодействие этого тока с полем Ф f приведет к возникновению момента Мe, который будет действовать на проводники обмотки статора в направлении вращения поля, как и в асинхронном двигателе. Этот же момент передается на ротор, действуя против направления вращения (рис.1.11а) и вызывая торможение ротора. Для поддержания постоянства частоты f1 потребуется увеличение внешнего момента Мвн.

Направление электромагнитного момента меняется, если изменить направление тока статора (рис. 1.11, б). Это можно сделать с помощью постороннего источника переменного тока. Тогда электрическая энергия этого источника преобразуется в механическую, и синхронная машина будет работать рис.1.11

в режиме двигателя.


Рассмотренные нами электрические машины относятся к классу машин переменного тока. Наряду с ними существуют и машины постоянного тока. Электромагнитную схему машины постоянного тока можно получить из схемы син­хронной машины, если в обмотку статора ввести механический выпрямитель - коллектор и расположить его вместе с обмоткой статора на вращающейся части, а обмотку возбуждения на неподвижной части (рис. 1.12). В этом случае вращающуюся часть называют якорем, а неподвижную - индуктором

Рис.1.12

 

Рассмотрим простейший случай, когда обмотка якоря представле­на одним витком. Концы обмотки подсоединяются к двум коллекторным пластинам, выпол­ненным в виде полуколец. На коллекторные пластины устанавливаются щетки, через кото­рые обмотка якоря связывается с внешней цепью.

Обмотка возбуждения создает неподвижное в пространстве магнитное поле. При вра­щении якоря его обмотка будет пересекать радиальную составляющую этого поля и в ней

будет наводиться ЭДС вращения

где V=πDn - линейная скорость на по­верхности якоря; n - частота вращения яко­ря; D - диаметр якоря; ℓ - активная длина якоря; Bδ - радиальная составляющая маг­нитной индукции в воздушном зазоре.

Радиальная составляющая магнитной индукции Bδ имеет максимальное значение под серединой полюса и равна нулю на ли­нии, проходящей строго по середине между полюсами (рис.1.13). Эта линия называется геометрической нейтралью. Знак индукции примем положительным, если силовые ли­нии выходят из якоря, и отрицательным -если входят в якорь.

Из выражения для ЭДС следует, что при постоянной частоте вращения якоря ха­рактер изменения ЭДС во времени будет повторять характер распределения индук­ции вдоль пространственной координаты х. При прохождении обмотки якоря через геометрическую нейтраль одновременно с изменением рис.1.13

направления ЭДС в ней происходит в смена коллекторных пластин под

щетками. Поэтому под правой щеткой всегда будет нахо­диться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под левой щеткой - с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате поляр­ность щеток остается неизменной:

В реальных машинах постоянного тока для уменьшения пульсаций выпрямленной ЭДС увеличивают число проводников и коллекторных пластин (рис. 1.14).

В этом случае между щетками действует ЭДС Е, равная сумме мгновенных значений ЭДС каждого проводника, находящегося под одним полюсом:

Машина постоянного тока также обладает свойством обратимости. В режиме генера­тора ток якоря I и ЭДС Е совпадают по направлению, а электромагнитный момент, как не­трудно убедиться из рис.1.14, будет действовать против направления вращения якоря. Для того чтобы перевести машину постоянного тока в двигательный режим, необходимо изме­нить направление тока в якоре при прочих равных условиях. Для этого машину постоянного тока включают на источник постоянного тока с напряжением, превышающим ЭДС якоря. Изменение направления тока якоря приводит к изменению направления электромагнитного момента. Он становится положительным (действует в направлении вращения якоря), и ма­шина постоянного тока переходит в режим двигателя.

Краткое рассмотрение электромагнитных схем по­казывает, что все электрические машины имеют много общих черт. При определенных условиях электромаг­нитная схема одной машины переходит в другую. Одна­ко несмотря на принципиальную общность электромаг­нитных схем каждая из машин имеет свои индивидуаль­ные электромагнитные и конструктивные особенности, без учета которых невозможно создать надежные и эко­номичные электрические машины и обеспечить эффек­тивную их работу в эксплуатации.

Изучению этих вопросов и посвящаются следую­щие разделы курса.


Рис1.14

Трансформаторы



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-03-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: