2. Электрические машины переменного тока.

2.1 Общие сведения о машинах переменного тока. Принцип работы.

Увеличение массы поездов, скоростей движения требует применения более мощных локомотивов. При мощности до 2000 л. с, применение генераторов постоянного тока устраивает. Но уже к 1960 г. мощность увеличилась до3000 л. с. и более. Возросли размеры генераторов. Для надежной работы коллектора и щеток линейная окружная скорость поверхности коллектора не должна превышать 60—70 м/с. Это ограничивает увеличение диаметра коллектора и диаметра якоря генератора. Для предупреждения недопустимого искрения на коллекторе напряжение между соседними пластинами не должно превышать 30—35 В. Поэтому ограничивается длина витков обмотки якоря и длина якоря. Эта проблема решилась путем отказа от применения коллектора. Коллектор служит для выпрямления тока, поэтому отказ от него означает переход на электрическую машину переменного тока. На мощных тепловозах получили применение тяговые генераторы переменного тока с выпрямительными установками для питания постоянным током тяговых электродвигателей.

Переменным называют ток, который периодически изменяет свое направление и величину. Через определенный промежуток времени Т, называемый периодом, изменение тока точно повторяется.

Для получения в замкнутой электрической цепи переменного тока созданы источники электрической энергии, индуктирующие переменную электродвижущую силу. Они называются генераторами переменного тока.

В простейшем генераторе переменного тока проводники, выполненные в виде рамки, соединены своими концами с контактными кольцами. Кольца вращаются вместе с рамкой, по их поверхности скользят щетки, соединяющие генератор с внешней цепью. Сравнивая простейшие генераторы двух видов тока, видно, что их отличие в том, что коллектор генератора постоянного тока в генераторе переменного тока заменен контактными кольцами. Для индуцирования электродвижущей силы приведем рамку во вращение с постоянной скоростью от постороннего источника механической энергии. Возникающие в обеих рабочих сторонах рамки А и Б электродвижущие силы действуют согласно и суммируются в общую э. д. с. рамки. Как и в простейшем генераторе постоянного тока в рамке индуцируется периодически изменяющаяся по величине и направлению электродвижущая сила.

Полный цикл изменения э. д. с. в рамке, равный по времени периоду Т, совершается за один полный ее оборот. Следовательно, частота переменного тока, вырабатываемого двухполюсным генератором, равна частоте вращения якоря с рамкой, измеренной в оборотах в секунду. При увеличении числа пар полюсов в генераторе пропорционально возрастает число полных циклов изменения переменного тока за один оборот якоря. Поэтому частота вырабатываемого генератором переменного тока определяется по формуле

f = np,

где n — частота вращения якоря, об/с;

р — число пар полюсов магнитной системы генератора.

Кривая изменения э. д. с. и тока представляет собой синусоиду. Электродвижущая сила, напряжение, ток, изменяющиеся по такому закону, называются синусоидальными.

Основными условиями получения синусоидальных характеристик переменного тока являются однородность (равномерность) магнитного поля генератора и постоянство частоты вращения проводников, в которых эта электродвижущая сила индуцируется.

В генераторах переменного тока большой мощности, так же используются электромагниты для создания сильного магнитного поля. Обмотка, в которой индуцируется э. д. с, имеет большое число проводников, соединенных по определенной схеме. Для создания э. д. с. магнитный поток должен пересекать проводник, при этом безразлично, будет ли перемещаться проводник или магнит. Это позволяет обмотку, в которой индуцируется ЭДС:, располагать на неподвижной части генератора переменного тока. Во вращение приводятся полюсы с обмоткой возбуждения. Внешняя цепь генератора присоединяется к неподвижным выводам его обмоток с помощью контактных болтов. Поэтому отпадает необходимость скользящих контактов (контактные кольца — щетки) в силовой цепи. Контактные кольца и щетки применяются для подвода электрического тока к вращающейся обмотке возбуждения генератора. Мощность, требующаяся для возбуждения, во много раз меньше мощности генератора. Поэтому осуществить подвод тока с помощью скользящих контактов в обмотку возбуждения проще. Тяговые генераторы тепловозов, изготавливаются исключительно с вращающимися обмотками возбуждения. Небольшие генераторы переменного тока, где токосъем не представляет трудностей, часто выполняются с вращающейся якорной обмоткой и неподвижным индуктором. Такие генераторы переменного тока называют машинами обращенного типа.

В электрических машинах переменного тока вращающуюся часть называют ротором, а неподвижную часть — статором.

На практике наиболее широкое применение получил трехфазный электрический ток. Трехфазные генераторы имеют три самостоятельные обмотки I -III, расположенные по окружности одна относительно другой под углом 120°.

При вращении ротора, являющегося электромагнитом, в обмотках индуцируются переменные э. д. с., сдвинутые по фазе (во времени) на 1/3 периода.

Каждую из обмоток трехфазного генератора можно рассматривать в качестве однофазного генератора, питающего переменным током I1 – I3 свою внешнюю цепь с резисторами R1—R3. Обмотка вместе с внешней цепью получила название фазы.