Электромеханические системы (ЭМС) / Конспект лекций по дисциплине Электромеханические системы / эл_мех06

25

Лекция № 6

1. Принцип действия коллекторных электрических машин постоянного тока.

2.Понятие скольжения. Асинхронная машина.

3.Синхронная машина.

4.Основные типы электрических машин.

Рассмотрим теперь конструкцию, положившую начало вращающимся электрическим машинам.

Рис.1.24.

При постоянном магнитном поле и постоянном токе рамка (обмотка, расположенная на якоре) будет стремиться занять положение, в котором плоскость рамки перпендикулярна силовым линиям магнитного поля. Для того, чтобы обеспечить непрерывное электромеханическое преобразование энергии, необходимо при подходе рамки к нейтрали изменить направление тока, т.е. питать её переменным током. В этом случае для передачи энергии на вращающуюся часть необходимо иметь два полукольца (коллекторные пластины) и щетки. Коллекторные пластины неподвижно закреплены на роторе и вращаются вместе с ним. Щетки закреплены на корпусе машины и не вращаются. При наличии источника постоянного тока и двухпластинчатого коллектора при переходе через нейтраль направление тока в рамке изменится, и таким образом будет поддерживаться непрерывное вращение якоря. В обмотке ротора ток будет переменным, а коллектор работает как механический инвертор (преобразователь постоянного напряжения в переменное). Машины, использующие в качестве источника питания источники постоянного тока, называются электрическими машинами постоянного тока.

Если машина работает в режиме генератора, то снимаемое со щеток напряжение имеет пульсирующую форму (рис. 1.25). Для сглаживания пульсаций увеличивают число коллекторных пластин.

26

Рис. 1.25

Возможна и другая реализация машины постоянного тока – обращенная электрическая машина. Ротор с коллектором в этом случае не вращается, а статор (постоянный магнит) со щетками вращается. При этом создается вращающееся магнитное поле, а в обмотке ротора будет протекать переменный ток.

Эту же идею создания вращающегося магнитного поля можно реализовать с помощью неподвижных обмоток, расположенных на статоре. Для этого обмотки необходимо расположить определенным образом на статоре. При наличии трехфазной системы напряжений на статоре располагают три обмотки, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 1200. При использовании m – фазной системы питания угол сдвига между обмотками равен 3600/mэл. Питать обмотки необходимо напряжением, сдвинутым во времени на 1200эл. или 3600/m эл. Понятие электрического угла отличается от геометрического в многополюсных машинах. Связь электрического и геометрического угла

Для двухполюсной машины (р = 1) Θэл =Θm. Соотношение (1.7) необходимо учитывать при запитке обмоток многополюсных машин.

Если на роторе расположить короткозамкнутую обмотку, а вращающееся магнитное поле создавать с помощью неподвижных трехфазных обмоток статора, то в короткозамкнутой обмотке ротора будет наводиться ток. В результате взаимодействия этих полей возникает электромагнитная сила, под действием которой ротор начнет вращаться. Скорость вращения ротора n2 будет отличаться от скорости вращения поля статора n1, которую еще называют синхронной скоростью вращения поля nс.

n2 < n1

Эту разницу принято характеризовать величиной, называемой скольжением

S = n1 − n2 100 0 0 n1

Синхронная скорость вращения поля статора определяется соотношением

f1 – частота напряжения статорной обмотки; p – число пар полюсов.

Машина основанная на этом принципе называется асинхронной машиной переменного тока (n1 ≠ n2). Если к валу двигателя подключить нагрузку, то скорость вращения ротора, а следовательно и скольжение S будет зависеть от момента, создаваемого нагрузкой.

Частота тока роторной обмотки f2 связана с частотой тока статорной

Если величина скольжения S положительна (S > 0), то электрическая машина является двигателем, если же (S < 0), то машина – генератор.

Если принудительно разогнать ротор до скорости n1, то скольжение становится равным нулю, поля обмоток статора и ротора становятся соосными и ток в обмотке ротора наводиться не будет f2 =0 согласно (1.10).

Чтобы сделать такую машину работоспособной необходимо запитать обмотку ротора от постоянного источника, и так как необходимо, чтобы частота тока в роторной обмотке бала равна нулю, то источник должен быть постоянного тока. Тогда при взаимодействии постоянного поля обмоток ротора и переменного поля обмоток статора вновь будет возникать движущий момент. Машины, построенные по этому принципу n2 = n1 называются синхронными.

Синхронные машины в момент включения требуют для разгона ротора специальных пусковых обмоток, фазосдвигающих цепочек. Преимущество синхронных двигателей перед асинхронными заключается в том, что скорость вращения ротора у них не зависит от момента нагрузки.

Так как у асинхронной машины частота вращения ротора жестко связана с частотой тока в обмотке ротора, то можно построить коллекторную машину, в которой переменный ток промышленной неизменной частоты на щетках преобразуется коллектором в переменный ток регулируемой частоты. Условия работы коллектора такой машины более тяжелые, чем в машинах постоянного тока.

Рассмотрим основные типы электрических машин.

28

Коллекторные электрические машины постоянного тока

схема

Электрические машины переменного тока

схема