6.1.7. Принцип действия асинхронного и синхронного двигателей

Устройство асинхронного двигателя соответствуетизображению на рис.1. Вращающееся магнитное поле, создаваемое расположенными на статоре обмотками с током, взаимодействует с токами ротора, приводя его во вращение. Наибольшее распространение в настоящее время получиласинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ввиду своей простоты и надежности.В пазах ротора такой машины размещены токонесущие медные или алюминиевые стержни. Концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Отсюда и произошло такое название ротора.

В короткозамкнутой обмотке ротора под действием ЭДС, вызываемой вращающимся полем статора, возникают вихревые токи. Взаимодействуя с полем, они вовлекают ротор во вращение со скоростью ω, принципиально меньшей скорости вращения поля₀. Отсюда название двигателя - асинхронный.

Величина S = называетсяотносительным скольжением. Для двигателей нормального исполненияS=0,02…0,07.Неравенство скоростей магнитного поля и ротора становится очевидным, если учесть, что приω =ω₀ вращающееся магнитное поле не будет пересекать токопроводящих стержней ротора и, следовательно, в них не будут наводиться токи, участвующие в создании вращающегося момента.

Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора.Ротор усинхронного двигателя представляет собоймагнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, товращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит,увлекает за собой магнитный ротор, причем ихскорости равны. Это объясняет название двигателя –синхронный.

В отличие от асинхронногодвигателя,cosφ, у которого обычно не превышает0,8…0,85, усинхронного двигателя можно добитьсябольшего значенияcosφ и сделать даже так, чтоток будет опережать напряжение по фазе.В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используетсядля повышения коэффициента мощности.

6.2. Электрические машины постоянного тока

6.2.1. Устройство машин постоянного тока

Машины постоянного тока уступают более простым, надежным и де­шевым машинам переменного тока, однако в ряде областей техники они незаменимы.

Двигатель постоянного тока изобрел в 1834 г. русский электротехник Б. С. Якоби. В 1838 г. он был использован в качестве привода на моторной лодке, питающейся от батареи гальванических элементов. Генератор постоян­ного тока появился позже - в 1870 г.

Двигатель постоянного тока обладает перед другими двигателями такими преимуществами, как плавное регулирование частоты вращения и создание большого пускового момента при пуске. Создание большого пускового мо­мента используется на электротранспорте. Двигатели постоянного тока приме­няются в автоматических устройствах в качестве измерителей частоты, преоб­разователей сигналов, исполнительных двигателей и т. д.

Генераторы постоянного тока используют как источник постоянного тока при питании электролитических ванн, зарядки аккумуляторов, высококачествен­ной сварки и т. д.

Изготавливают машины постоянного тока в диапазоне мощностей − от десятков ватт до тысяч киловатт, напряжений от нескольких вольт до десятков тысяч вольт, частот вращения −от нескольких десятков оборотов в минуту до десятков тысяч.

Электрическая  машина  постоянного  тока состоит основных частей: неподвижнойчасти статора с магнитными полюсами (индуктора) ивращающейсячасти (якоря с барабанной обмоткой и коллектором) и щеточно-коллекторного устройства.

Рис. 12

На рис. 12. изображена конструктивная схема машины постоянного тока. Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.

Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5. Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Основными узлами машин постоянного тока являются статор с магнитны­ми полюсами, якорь с обмоткой и коллектором и щеточно-коллекторное уст­ройство. Основные элементы машины показаны на рис. 13.

Статор служит для создания основного магнитного поля машины и пред­ставляет собой станину 1 с укрепленными на внутренней поверхности основ­ными 3. У машин малой мощности станина выполняется из толстой листовой стали, а у машин большой мощности она отливается. Статор составляет осно­ву всей машины и выполняет функцию магнитопровода.

Рис.13. Машина постоянного тока. Общий вид в разрезе.

На полюса насаживаются катушки 2, образующие обмотку возбуждения машины. Для уменьшения вихревых токов полюса набирают из стальных плас­тин. Полюса снабжают полюсными наконечниками с целью создания магнит­ной индукции под полюсами, близкими по форме к трапеции. У машин малой мощности магнитные полюса представляют собой постоянные магниты. У ма­шин средней и большой мощности между основными полюсами размещают дополнительные полюса.

Якорь машины 4 представляет собой обмотку из изолированного прово­да, уложенного в пазы сердечника, набранного из дисков электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов диски между собой изолируются.

Коллектор 7 представляет собой цилиндр, набранный из медных изоли­рованных пластин, соединенных с проводниками обмотки якоря. Коллектор насаживается на вал якоря и изолируется от него. Служит коллектор для пре­образования переменной ЭДС в проводниках обмотки якоря в постоянную ЭДС на щетках 5 генератора или для преобразования постоянного тока, под­водимого к щеткам двигателя из сети, в переменный ток в проводниках об­мотки якоря двигателя.

При вращении якоря по коллектору скользят неподвижные щетки 5. Они крепятся в щеткодержателях и служат для снятия напряжения с якоря или подачи тока в якорь машины. Щетки бывают графитовые и медно-графитовые. К торцам станины прикрепляются подшипниковые щиты 6 с ша­риковыми или роликовыми подшипниками, в которых вращается вал якоря с коллектором.

В машинах постоянного тока применяется барабанная обмотка якоря, пред­ложенная П. Н. Столетовым. При такой обмотке проводники размещаются на поверхности сердечника в виде отдельных секций. Барабанная обмотка может быть петлевой или волновой.

а) При петлевой обмотке начало и конец секции обмотки присоединяются к двум соседним пластинам коллектора. К первой пластине подсоединяют­ся начало первой секции и конец последней, ко второй пластине коллекто­ра - конец первой и начало второй, к третьей - конец второй и начало тре­тьей и т. д.)

Рис. 14. Петлевая обмотка

Таким образом, при петлевой обмотке осуществ­ляется поступательно-возвратный обход пазов проводом. Петлевая обмот­ка называется еще параллельной, так как она разбивается на параллельные ветви, число которых равно числу пар полюсов.

б) Волновая обмотка выполняется следующим образом: за концом пер­вой секции следует начало второй, за концом второй - начало третьей и т. д. (рис.15). В этом случае осуществляется только поступательное движение, т. е. нет обратного хода проводника. Рис. 15. Волновая обмотка

К каждой пластине коллек­тора подключается конец предыдущей секции и начало последующей, пока цепь не будет замкнута. При такой обмотке, независимо от количества пар полюсов, якорная обмотка представляет собой параллельную цепь из двух ветвей.