Литература

1. Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника: Учеб. Пособие для инженерно-эконом. спец. вузов. – М.: Высш. Шк., 1987. -448с.

2. Электротехника и электроника: Учебник для сред. проф. образования/Б.И. Петленко, Ю.М. Иньков, А.В. Крашенинников и др.; Под ред. Б.И. Петленко. – М.; Издательский центр «Академия», 2003. – 320 с.

3. Яновский В.П. Учебное пособие по дисциплине «Электроника» для студентов специальности «Информационные системы и технологии (в экологии)» /В. П. Яновский. – Минск: МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2008. – 126 c.

Ямный В.Е. Основы автоматизации физического эксперимента: Курс лекций/ В.Е.Ямный, В.П.Яновский. – Мн.:БГУ, 2004. – 283 с.

Яновский В.П. Сборник задач и упражнений по дисциплине «Автоматизация эксперимента» /В. П. Яновский. – Минск: МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2010. – 93 c

Яновский В.П. Средства разработки аппаратного и программного обеспечения современных электронных систем.

Яновский В.П. Методические указания по дисциплине «Электротехника и промышленная электроника».

8.1.4.1. Получение вращающегося магнитного поля. 8

8.1.4.2. Принцип действия и устройство асинхронного двигателя. 13

8.1.4.3. Принцип действия и устройство синхронных машин. 14

8. Электрические машины

8.1. Общая теория электрических машин

8.1.1. Назначение и классификация электрических машин

Электрическая машина (ЭМ) предназначена для преобразования механической энергии в электрическую и электрической в механическую, а также одной формы электрической энергии в другую, отличающуюся по напряжению, току или частоте.

Электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую, называются электрическими двигателями, а машины, в которых происходит обратное преобразование, - генераторами.

Использование машин в качестве генераторов и двигателей является их основным назначением. В то же время электрические машины могут использоваться для преобразования рода электрического тока, например, постоянного в переменный или же преобразования величины напряжения. Кроме того, ЭМ широко используются в качестве датчиков угла, перемещения и скорости, для выполнения математических операций и усиления мощности электрических сигналов, а также для повышения коэффициента мощности электрических установок.

Помимо деления по назначению электрические машины классифицируются по принципу действия на коллекторные и бесколлекторные (рис. 10.1), отличающиеся друг от друга принципом действия и конструкцией.

Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе. Лишь коллекторные машины обычно небольшой мощности выполняют универсальными, работающими на постоянном и переменном токе.

Бесколлекторные машины делятся на асинхронные и синхронные (многофазные и однофазные).

Широкое распространение электрических машин привело к разработке их многочисленных конструктивных форм. Поэтому приведенная на рис. 10.1 классификация является приближенной и не отображает всего многообразия типов электрических машин.

8.1.2. Преобразование энергии в электрических машинах

При работе электрической машины в режиме генератора механическая энергия преобразуется в электрическую. Это происходит в соответствии с законом электромагнитной индукции: если внешняя сила F перемещает проводник в магнитном поле, например, слева направо перпендикулярно вектору магнитной индукции В (рис. 10.2), то в проводнике будет наводиться ЭДС:

г де E - ЭДС, индуктируемая в проводнике, В; В - магнитная индукция, Тл; l - активная длина проводника (длина его части, находящейся в магнитном поле), м; V - скорость движения проводника, м/с.

Формула (10.1) определяет лишь величину ЭДС. Для определения ее направления следует воспользоваться правилом правой руки (рис. 2.6). Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике («от нас»). Если концы проводника замкнуть, под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.

Согласно закону Ампера на проводник с током I, помещенный в магнитное поле, действует сила , направление которой определяется правилом левой руки (рис. 2.2), а значение по формуле где направление тока I, магнитной индукции и силы взаимно перпендикулярны.

В рассматриваемом случае (рис. 10.2) эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в генераторе электромагнитная сила F_эм является тормозящей по отношению к движущей силе F.

Если же внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U, в цепи возникнет ток I (рис. 10.3), и на проводник будет действовать только электромагнитная сила F_эм, направление которой определяется правилом левой руки.

П од действием этой силы проводник начнет передвигаться в магнитном поле со скоростью V. При этом в проводнике индуцируется ЭДС, противоположная по направлению приложенному напряжению U. Таким образом, напряжение уравновешивается электродвижущей силой Е, наведенной в этом проводнике, и падением напряжения в электрической цепи:

U=E + IR,

где R - электрическое сопротивление цепи.

Электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (F_эмV), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I²R). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Указанный процесс преобразования энергии дает возможность сделать важный вывод: необходимым условием работы электрической машины является наличие проводников и магнитного поля, имеющих возможность перемещаться друг относительно друга, т.е. электромагнитный механизм электрической машины должен содержать часть, создающую магнитное поле, и часть, представляющую собой в общем случае совокупность проводников, пересекающих линии магнитного поля. Физически безразлично, как именно создается магнитное поле. Но в электрических машинах чаще всего оно создается электромагнитным путем с помощью стального сердечника с намотанной на него катушкой, по которой течет электрический ток. Это позволяет создавать поля большой интенсивности, регулировать их и таким образом воздействовать на рабочие характеристики машины

Наведение ЭДС осуществляется разными путями. Так, например, в машинах постоянного тока поле неподвижно, а проводники вращаются; в синхронных машинах, наоборот, поле вращается, а проводники неподвижны; в асинхронных машинах вращается и поле, и проводники подвижной части, причем их вращение возможно либо в одну сторону, либо в разные. При этом преобразование энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. электрическая машина может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Указанное свойство электрических машин называется обратимостью.

Неподвижная часть ЭМ называется статором, а подвижная (вращающаяся) - ротором.

ЭДС, индуцируемая основным полем возбуждения в перемещающихся относительно поля проводниках машины, вызывает в этих проводниках ток, величина которого зависит от нагрузки машины. Ток создает свое собственное магнитное поле, которое воздействует на основное поле возбуждения. Такое влияние поля токов в перемещающихся проводниках на поле возбуждения называется реакцией якоря. В результате реакции якоря основное поле возбуждения машины может искажаться и уменьшаться по величине.

Подводимая к электрической машине за время dt энергия P₁dt преобразуется в ней в энергию P₂dt, причем Р₂ < Р₁, так как при работе машины имеются потери, связанные с процессом преобразования в ней энергии. Потери энергии, равные (Р₁ - P2)dt, полезно не используются и рассеиваются в виде теплоты, нагревая отдельные части машины.

Потери при работе электрической машины в основном складываются:

• из электрических потерь, обусловленных нагревом проводников обмоток и других проводящих контуров при протекании по ним тока (их еще называют потерями в меди);

• магнитных потерь от гистерезиса и вихревых токов в перемаг-ничиваемых ферромагнитных частях машины (потери в стали);

• механических потерь на трение вращающихся частей в подшипниках и о воздух (зависят от скорости ротора).

Отношение называется коэффициентом полезного действия электрической машины. Электрические машины малой и средней мощности имеют КПД, равный 0,8...0,9, доходящий в машинах большой мощности (тысячи киловатт) до 0,97...0,99.

На рис. 10.4 представлены диаграммы преобразования мощности в генераторе и двигателе. Для генератора (рис. 10.4, а)

где П_мех – мощность механических потерь; Р₁ – механическая мощность, подводимая к генератору; П_эл – мощность электрических потерь в генераторе; Р₂ – полезная электрическая мощность, отдаваемая генератором.

Для двигателя (рис. 10.4, б)

где П_эл – мощность электрических потерь в двигателе; Р₁ – электрическая мощность, подводимая к двигателю; П_мех – мощность механических потерь, обусловленная вращением двигателя; Р₂ – его полезная механическая мощность.

Электрический момент, создаваемый в электрической машине в процессе преобразования энергии, в генераторе направлен против момента приводного двигателя. Чем большую электрическую мощность Р_эл развивает генератор, тем больше его противодействующий момент.

В случае электрического двигателя его электромагнитный момент М используется для совершения полезной механической работы; он преодолевает момент сопротивления М_с рабочего механизма.