Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ

2.1. Загальні відомості про електричні машини

2.1.1. Поняття про електричні машини

Прогрес сучасної науки і техніки нерозривно пов’язаний із застосуванням електричної енергії в різних виробничих проце сах і пристроях.

Електричні машини широко застосовують на електричних станціях, у промисловості, на транспорті, в авіації, у системах автоматичного регулювання і управління, у побуті. Вони пере творюють механічну енергію в електричну і, навпаки, електрич ну енергію в механічну. Машина, що перетворює механічну енер гію в електричну, називається генератором. Перетворення електричної енергії в механічну здійснюється двигуном. Будь яка електрична машина може бути використана як генератором, так і двигуном. Ця властивість змінювати напрямок енергії, що пе ретворюється нею, називається оборотністю машини. Електрич на машина може бути також використана для перетворення елек тричної енергії одного роду струму (частоти, числа фаз змінного струму, напруги постійного струму) в енергію іншого роду стру му. Такі електричні машини називаються перетворювачами.

Електричні машини застосовують у всіх галузях промисло вості. Внаслідок цього існує велика їх різноманітність. Вони розрізняються за принципом дії, потужністю, частотою обертан ня й іншими ознаками. Широкому поширенню електричних машин сприяють їх високий ККД, зручність обслуговування і простота управління.

Електричні машини діляться на машини постійного струму і машини змінного струму. Машини змінного струму можуть бути синхронними і асинхронними, однофазними і багатофаз ними. Найбільш широке застосування знайшли трифазні син хронні й асинхронні машини, а також колекторні машини

56

Розділ 2. Електричні машини

змінного струму, що дозволяють здійснювати економічне регу лювання частоти обертання в широких межах.

Принцип дії електричної машин заснований на використанні законів електромагнітної індукції й електромагнітних сил. У ре зультаті взаємодії струму в провіднику з магнітним полем полюсів магнітів створюється електромагнітна сила, ця сила буде спрямо вана назустріч силі, що переміщає провідник у магнітному полі.

Для збільшення електрорушійної сили і електромагнітних сил електричні машини мають обмотки, що складаються із ве ликої кількості провідників, що з’єднуються між собою так, щоб електрорушійні сили у них мали однаковий напрямок і підсу мовувалися за значенням [двигун].

Упровіднику електрорушійна сила буде індукована також

ів тому випадку, коли провідник непорушний, а переміщаєть ся магнітне поле полюсів [генератор].

2.1.2. Класифікація електричних машин

Електричні машини класифікують за такими ознаками:

принципом дії і призначенням – на генератори, двигуни, перетворювачі й електромеханічні перетворювачі сигналів;

характером виконання функцій – виконавчі двигуни, та хогенератори, поворотні трансформатори, електромашини синхронного зв’язку (сельсини), лінійні двигуни, електро машини подвійного живлення, мікродвигуни загального застосування та ін.;

родом струму, що генерується або споживається – пост ійного (колекторні, вентильні) і змінного (асинхронні та синхронні);

потужністю – мікромашини (до 500 Вт), малої (0,5 10 кВт), середньої (10 200 кВт) і великої потужності (200 кВт і більше);

конструкцією – із фазовим і короткозамкнутим ротором;

формою виконання і побудовою з позначенням: Е – без підшипників і вала, Щ – із щитовими підшипниками, ЩС – із щитовими і стояковими, С – із стояковими, Ф – із фланцевим кріпленням, В – із вертикальним валом, А – спарені машини, О – машини, що обдуваються, П – із

57

«Товарознавство»

підвищеним пусковим моментом, С – із підвищеним ков занням, В – машини, що вбудовуються, К – з фазовим ро тором, Т – для текстильної промисловості, Л – полегшені;

характером зміни навантаження і режимом роботи

тривалого, короткочасного і повторно – короткочасного;

способом збудження – із незалежним і самозбудженням (паралельним, послідовним і змішаним);

залежно від вимог до захисту машин від впливу зовнішньо@ го середовища – відкриті, захищені, водозахищені, закриті, вибухобезпечні, герметичні.

До підгрупи електротехнічних машин відносяться також статичні електромагнітні пристрої – електричні трансформато ри, оскільки фізичні явища, що протікають у них, відповідають природі електромагнітних процесів.

На рис. 2.1 наведена класифікація електричних машин за різними ознаками.

( )

Рис. 2.1. Класифікація електричних машин

58

Розділ 2. Електричні машини

1

4

3

2

5

Рис. 2. 2. Генератор постійного струму 1 – північний полюс магніту, 2 – південний полюс магніту,

3 – рамка, 4 – колектор, 5 – зовнішнє коло

При обертанні рамки в полі магніту в ній індукується змінна ЕРС, що створює змінний струм у рамці. За допомогою колек тора змінна ЕРС, що індукується у рамці, випрямляється, і в зовнішньому колі створюється постійний за напрямком струм.

Для практичних цілей такі генератори не підходять, тому що від них неможливо одержати яку небудь значну електроруш ійну силу, а отже, і необхідну потужність. Тому в генераторах, як правило, застосовуються електромагніти, що створюють сильний магнітний потік.

Генератор постійного струму складається з таких основних частин: магнітної системи, якоря з робочою обмоткою, колекто ра, щіток із щіткотримачами і допоміжними частинами (рис. 2.2.).

Магнітна система (нерухома частина, яка призначена для створення головного магнітного поля) генератора необхідна для створення необхідного магнітного потоку і складається з по люсних сердечників, полюсних котушок (котушок збудження) і станіни.

Магнітна система генератора постійного струму залежно від потужності виготовляється з різною кількістю полюсів. Генера тори невеликої потужності виготовляють двополюсними, а ге нератори великої потужності — багатополюсними, тому що за

59

«Товарознавство»

інших рівних умов електрична потужність генератора зростає зі збільшенням кількості його полюсів.

Станина генератора представляє собою його загальний кістяк, до якого кріпляться полюсні сердечники (полюси) для створення головного магнітного поля. Станина виготовляється з м’якої литої сталі, яка має хорошу магнітну проникність і знач ний залишковий магнетизм.

Якір – це обертова частина генератора, в якій індукується електрорушійна сила (ЕРС). Якір складається із зубцюватого сердечника, обмотки, укладеної в його пазах, і колектора, насад женого на вал якоря. Якір генератора служить одночасно як для розміщення на ньому обмотки, так і для зменшення опору маг нітного ланцюга генератора (рис.2.2).

У генераторах постійного струму застосовуються два типи якірних обмоток: петльова (або паралельна) обмотка і хвиляс та (або послідовна) обмотка. Хвиляста обмотка відрізняється від петльової тим, що кожна секція з’єднується з іншою, наступною по ходу, обмоткою, розташованою під наступною парою по люсів, у той час як у петльовій обмотці секція з’єднується з іншою, наступною по ходу обмоткою, розташованою під тією ж парою полюсів. Хвиляста обмотка застосовується в якорях ба гатополюсних машин.

Щітки служать для відводу (зняття) ЕРС, створюваної гене ратором. Виготовляються щітки з пресованого вугілля. Робоча поверхня щіток точно притирається (пришліфовується) до по верхні колектора. Притерті до колектора щітки вставляються в спеціальні обойми, які називаються щіткотримачами. Призначен ня щіткотримачів із пружинами – утримувати щітки в правиль ному положенні і притискати їх до поверхні колектора.

Колектор – це пристрій, який дозволяє здійснювати безпе рервне перетворення змінного струму в постійний (переклю чення напрямів струму в рамці для її безперервного руху). За конструкцією колектор – це порожнистий циліндр, зібраний із ізольованих одна від одної мідних пластин.

Щоб привести магнітну систему генератора у робочий стан, необхідно викликати в ній сильний магнітний потік. Процес

60

Розділ 2. Електричні машини

1

2

4

3

цей називається збудженням генератора. Для збудження гене ратора по його обмотці збудження необхідно пропустити струм, що називається струмом збудження.

На полюсних сердечниках кріпляться полюсні котушки. З’єднані за визначеною схемою, вони утворюють обмотку збуд ження. У машинах великої потужності полюсні сердечники виготовляються окремо від станіни і за допомогою спеціальних болтів кріпляться до станіни (рис.2.4).

Найважливішою класифікаційною ознакою машин постійно го струму є спосіб збудження головного магнітного поля. За цією ознакою генератори розділяються на два основних типи: генератори з незалежним збудженням і генератори із самоз будженням.

У генераторах із незалежним збудженням живлення обмот ки збудження здійснюється від стороннього джерела електрич ної енергії (частіше всього від акумуляторної батареї) або від іншого генератора постійного струму. У генераторах із самоз будженням живлення обмотки збудження здійснюється від самого генератора, тобто він сам себе збуджує.

61

«Товарознавство»

Генератори постійного струму із самозбудженням розді ляються за способом включення обмоток збудження на три типи: генератори з паралельним, послідовним і змішаним збудженням.

Генератор із паралельним збудженням. Обмотка збуджен ня генератора з паралельним збудженням з’єднана паралельно з обмоткою якоря і зовнішнього кола. Генератор із паралельним збудженням має такі властивості: збуджується при розімкнуто му зовнішньому ланцюзі і не збуджується, якщо його якір зам кнутий накоротко. Так відбувається тому, що при короткому замиканні якоря струм в обмотку збудження не йде. Напруга генератора деякою мірою залежить від навантаження. Генера тори з паралельним збудженням менше за інші типи машин бояться коротких замикань.

Генератор із послідовним збудженням. Обмотка збуджен ня генератора з послідовним збудженням з’єднується по слідовно з обмоткою якоря і зовнішнього ланцюга. Обмотка збудження складається з малої кількості витків товстого дро ту і має незначний опір. Тому падіння напруги на ній при роботі генератора невелике. Потужний магнітний потік у да ному випадку утворюється тому, що по обмотці збудження проходить великий струм (струм якоря). При розімкнутому зовнішньому ланцюзі збудження генератора неможливе. Для збудження генератора необхідно замкнути зовнішній ланцюг на невеликий опір. Генератор із послідовним збудженням боїться коротких замикань.

Генератор із змішаним збудженням має дві обмотки збуд ження: одна включена паралельно з обмоткою якоря і зовніш нього ланцюга, інша послідовно. Обмотка, включена паралель но, служить для створення основного магнітного потоку полюсів, а обмотка, включена послідовно, – для підтримки по стійної напруги на затисках генератора при збільшенні наван таження. Генератор із змішаним збудженням збуджується як при розімкнутому, так і при замкнутому зовнішньому ланцюзі.

Генератори постійного струму застосовуються в зварювальних апаратах, в освітлювальній системі пасажирських потягів та ін.

62