Всього годин – 189

Аудиторні – 108

Самостійна робота – 81

Лекцій – 90

Лабораторні роботи – 14 (7)

Практичні роботи – 4 (2)

Контрольна робота – 2

Модульний контроль – 2

Іспит – 1

Література:

1. М.М. Кацман «Электрические машины», Москва, «Высшая школа»,1990г.

2. М.М. Кацман «Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам», Москва, «Высшая школа», 1983г.

3. Мілих В.І. ; Шаволкін О.О. «Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка», Київ, Каравела» 2008р.

Вступ

1. Цілі та Задачі предмету

2. Роль електричних машин та трансформаторів в електрифікації народного господарства

3. Електричні машини – перетворювачі механічної та електричної енергії.

4. Оборотність електричних машин, їх класифікація.

Вивчення дисципліни базується на знаннях, отриманих при вивченні «ТОЕ», «Електротехнічні матеріали», «Електричні вимірювання», «Електричні машини». Є базовою дисципліною для вивчення «основ електроприводу», «систем керування електроприводами», «Електрообладнання промислових підприємств», «Монтаж, експлуатація та ремонт електрообладнання» , «Електропостачання», «Налагодження електроустаткування».

Дисципліна «Електричні машини» вивчає теорію, принцип роботи, будову та експлуатаційні властивості електричних машин і трансформаторів.

Що таке електрична машина?

Електрична машина – це електричний пристрій в якому здійснюється взаємне перетворення механічної та електричної енергії.

Електрична енергія виробляється на електростанціях за допомогою електричних машин – генераторів, які перетворюють механічну енергію в електричну. До 80% електричної енергій виробляється на теплових електростанціях, на яких спалюється вугілля, газ, мазут, торф для отримання пари високого тиску, котра подається в турбіну і змушує обертатись ротор, який, в свою чергу обертається ротор турбогенератора в якому механічна енергія перетворюється в електричну. (1000 кВт.год – 325 кг. умовного палива).

На АЕС – процес аналогічний в тому різниця, що замість хімічного палива використовується ТВЕЛ (ядерні елементи)

На гідроелектростанціях (ГЕС) механічна енергія води перетворюється в електричну.

в процесі використання електричної енергії вона перетворюється в інші види – теплову,промислову, механічну, хімічну, ≈70% електричної енергії використовується для приведення в роботу механізмів, верстатів, транспорту тобто вона перетворюється в механічну. За допомогою електричних машин ( електродвигунів).

Електродвигун є основним елементом електроприводу робочих машин.

Переваги електродвигунів:

- проста будова;

- хороша керованість;

- можливість автоматизації процесів.

Електродвигуни використовуються для:

- приводу верстатів, машин, механізмів;

- в побутових приладах (пилососи, вентилятори, холодильники, інструмент, пральні машини);

- мікромашини (від декількох ват до декількох сотен), в автоматиці, обчислювальній техніці.

Електричну енергію, вироблену на електростанціях необхідно передавати споживачеві на значні відстані.

Для зменшення втрат необхідно підвищувати напругу а у споживача її знижувати.

Процес підвищення або зниження напруги електричної енергії використовується за допомогою електромагнітних пристроїв які називають трансформаторами .

Слід зазначити, що трансформатор не являється електричною машиною, так як його робота не зв'язана з перетворенням електричної енергії механічну і навпаки це статичний пристрій в якому відсутні рухомі частини.

Але електромагнітні процеси, що діють в трансформаторі є аналогічні процесам при роботі електричної машини.

Теоретичні основи перетворення електричної енергії в механічну були закладені в 1821 р. М. Фарадеєм який створив першу модель електродвигуна.

Подальший розвиток ідеї взаємного перетворення електричної і механічної енергії відтворена в роботах Б.С. Якобі ( двигун постійного струму та М.О. Доліво – Добровольського – трьохфазний асинхронний двигун).

Перед початком вивчення «електричних машин» слід згадати фізичну суть явища та законів які положенні в основу принципу дії електричних машин і , в першу чергу закон електромагнітної індукції.

В процесі роботи електричні машини в режимі генератора механічна енергія перетворюється в електричну.

Природа цього явища пояснюється законом електромагнітної індукції.

Якщо зовнішньою силою F переміщати провідник, який знаходиться в магнітному полі, в напрямі, перпендикулярному вектору магнітної індукції, то в провіднику буде наводитись електрорушійна сила.

B – магнітна індукція (Тл)

- активна довжина провідника (м)

- швидкість руху (м/с)

Якщо кінці провідника замкнути на опір R то в колі буде протікати , струм того ж напрямку. Значить провідник в магнітному колі можна розглядати як елементарний генератор. Якщо помістити в магнітне поле провідник зі струмом, то на нього буде діяти електромагнітна сила , напрямок її можна визначити правилом лівої руки

При рівномірному русі провідника

Помножимо обидві частини рівняння на v

, або

F*v – механічна потужність, затрачена на переміщення провідника в магнітному полі.

E*I – електрична потужність.

Таким чином в генераторі механічна енергія перетворюється в електричну.

Якщо зовнішню силу до провідника, що знаходиться в магнітному полі не прикладати а підвести до нього напругу від зовнішнього джерела ( наприклад акумулятора) , в провіднику буде протікати струм і на нього стане діяти тільки електромагнітна сила

, під дією якої провідник почне рухатися в магнітному полі.

При цьому в провіднику буде наводитися Е.Р.С.

За другим законом Кіргофа

, помножимо на I або

UI- електрична потужність, підводиться до провідника;

- механічна потужність;

- електричні втрати в провіднику.

Таким чином провідник зі струмом, поміщений в магнітне поле можна розглянути як елементарний електродвигун.

Із всього сказаного зробимо висновки:

1. Для буд'якої електричної машини є обов'язковим : наявність магнітного поля; наявність провідників електричного струму, що мають можливість взаємного переміщення.

2. При роботі електричної машини як в режимі генератора, так і в режимі двигуна одночасно спостерігається індукціювання е.р.с. в провідниках які пересікають магнітне поле і виникнення сили, яка діє на провідник зі струмом, який знаходиться в магнітному полі.

3. Взаємне перетворення механічної та електричної енергії в електричній машині може відбуватися в любому напрямку, тобто одна і таж машина може працювати як в режимі генератора, так і в режимі двигуна.

Ця властивість електричних машин називається оборотністю .

Ми розглянули елементарний електродвигун і генератор, в якому провідник рухається в магнітному полі поступально. Але в конструктивному виконанні в більшості випадків в електричних машинах використовується обертовий рух їх рухомої частини.

Незважаючи на велику різноманітність конструкції електричних машин можна уявити їх узагальнену конструкцію:

Така конструкція складається з нерухомої частини (1)- статора і рухомої

частини (2)- ротора, який розміщений розточці статора і відокремлений від нього повітряним зазором.

Одна з названих частин має елементи які збуджують в машині магнітне поле (постійні магніти або електричні магніти), а друга має обмотку, яку умовно називають робочою.

Діапазон потужності електричних машин досить широкий (від долі ват до сотен тисяч кіловат).

Класифікація електричних машин

Використання електромашин в якості генераторів та двигунів являється основним, пов'язаним з перетворенням механічної та електричної енергії.

Але електричні машини можуть використовуватись і для других цілей:

- перетворювачі напруги, частоти;

- ЭМП;

- синхронні компенсатори;

- індукційні регулятори;

- тахогенератори;

- сельсини та інші.

Всі електричні машини підрозділяють на колекторні і безколекторні.

Безколекторні - це машини змінного струму-асинхронні та синхронні.

Асинхронні машини використовують як електродвигуни, а синхронні як генератори і двигуни. Колекторні машини – це машини постійного струму (генератори і двигуни).

Колекторні машини невеликої потужності виготовляють універсальними, що можуть працювати від мережі постійного та змінного струму.

Електричні машини одного принципу дії можуть відрізнятися схемою вмикання, або другими ознаками:

- 3-х фазні, однофазні, конденсаторні.

- з короткозамкненим ротом. З фазним ротором.

Синхронні машини і колекторні постійного струму можуть бути з постійними магнітами, або обмотками збудження.

§ В-1, В-2, В-3

стр.4-12

Тема 1. Принцип дії та будова колекторних машин постійного струму

1. Загальні положення.

2. Принцип дії генератора та електродвигуна.

3. Будова колекторної машини постійного струму.

Ми вже визначились, що електричні машини постійного струму використовують як в якості генераторів, та і в якості електродвигунів.

Найбільше застосування мають електродвигуни постійного струму, області використання та діапазон потужності досить великі (згадаємо про що йшла мова напередодні – це привод різних механізмів – прокатні стани, підйомні – транспортні механізми, верстати та інше).

Основні переваги двигунів постійного струму:

- гарні пускові властивості та регульовані властивості;

- забезпечення можливості отримання частоти обертання >3000 об/хв.

але є і недоліки :

- відносно велика вартість;

- складність виготування та знижена надійність експлуатації.

Зазначені недоліки електричних машин постійного струму пояснюються наявністю в них щіточного - колекторного вузла, який являється також джерелом пожежної небезпеки та джерелом радіо поміх.

Характерною ознакою колекторної машини постійного струму являється наявність колектора – тобто механічного перетворювача змінного струму в постійний і навпаки.

Розглянемо принцип дії колекторного генератора постійного струму.

Між полюсами постійного магніту N і S знаходиться рухома частина генератора – якір, який обертається за допомогою привідного електродвигуна. В двох повздовжніх пазах на осерді якоря знаходиться обмотка якоря (в нашому випадку це один виток і рамка) кінці якого приєднані до двох мідних напівкіцець, ізольованих один від другого (це і є самий простий колектор).

На поверхню колектора накладені щітки, які використовують ковзаючи контакт з колектором та з'єднують генератор з зовнішнім колом, що містить навантаження ( опір R).

Припустимо, що якір генератора обертається за допомогою приводного двигуна за годинниковою стрілкою, (рамці) буде наводитися Е.Р.С., миттєве значення якої

Під час обертання рамка (виток) займає різне положення, тому в ній буде наводитись змінна е.р.с.

Якби в машині постійного струму не було колектора (тобто змінити півкільця на кільце) то електричний струм в зовнішньому колі був би змінним, як за величиною, так і за напрямком, та за допомогою колектора та щіток змінний струм перетворюється в пульсуючий, незмінний за напрямком.

Для зменшення пульсацій струму в зовнішньому колі в промислових генераторах збільшують число витків в обмотці якоря та відповідно кількість пластин в колекторі.

Відповідно до принципу обертовості електричних машин розглянуті нами може бути використане і в якості двигуна постійного струму.

Що для цього потрібно ?

Треба відімкнути навантаження та підімкнути до щіток напругу від зовнішнього джерела живлення. Тоді в обмотці якоря буде протікати електричний струм, і в наслідок взаємодії цього струму з магнітним полем постійних магнітів (або електромагнітів) з'являються електромагнітні сили ,які створюють на якорі електричної машини обертаючий момент М.

При повороті якоря на 180° електромагнітні сили не змінюють свого напрямку тому що з переходом кожного провідника обмотки якоря з зони одного магнітного полюсу до зони другого полюсу змінюється напрямок струму в провідниках обмотки за допомогою колектора.

Таким чином: Колектор машини постійного струму призначений для зміни напрямку струму в провідниках обмотки якоря при їх переході із зони магнітного поля однієї полярності в зону полюсу другої полярності.

Будова колекторної машини постійного струму:

Незважаючи на велику різноманітність електричних машин, що випускаються для застосування в різних галузях промисловості, загально конструктивна схема є однаковою, тобто електрична машина складається з нерухомої частини ротора (або якорів). Статор складається із станини та головних полюсів.

Станина – призначена для кріплення головних та допоміжних полюсів та підшипникових щитів та являється частиною магнітопроводу, бо через неї замикається магнітопоток електричної машини.

Станину виготовляють із сталі – матеріалу з достатньою механічною міцністю та великою магнітною проникністю.

В нижній частині знаходяться лапи для кріплення машини до фундаментної плити, на станині також розміщені отвори для закріплення осердь полюсів.

Звичайно станину виготовляють із суцільної стальної труби, іноді – зварною із листової сталі, за виключенням електричних машин з великим зовнішнім діаметром, станину яких виконують роз'ємною, що значно полегшує їх транспортування, монтаж та ремонт.

Головні полюси – призначені для створення в електричних машині магнітного поля збудження.

Головні полюси складаються із осердя та полюсної котушки.

Зі сторони, звернутої до якоря осердя полюсу має полюсний наконечник, форма якого забезпечує необхідний розподіл магнітної індукції в зазорі електричної мащини.

Осердя головних полюсів виконують шихтованим із окремих листів електротехнічної сталі δ=1÷2 мм.

В машинах постійного струму невеликої потужності, полюсні котушки виконують без каркасними, тобто намотують обмоточний провід безпосередньо на осердя полюса, який перед цим ізолюють за допомогою прокладок.

В більшості електричних машин (1 кВт та більше) полюсні котушки виконують каркасними.

Кацман §24-1, 24-2

Запитання до самоконтролю:

1. Що називається електричними машинами, їх основні типи?

2. Де застосовуються електричні машини?

3. Основні складові електричних машин.

4. Принцип дії генератора постійного струму.

5. Принцип дії двигуна постійного струму.

6. що таке оборотність електричних машин?

Якор – це рухома частина електричної машини.

Механічною основою якоря є вал, вільний кінець якого може за допомогою муфти з'єднуватися з приводним двигуном або виконавчим механізмом.

На валу закріплені шихтоване феромагнітне осердя і циліндричний колектор. У пазах на поверхні осердя якоря розташовані ізольовані провідники, попарно з'єднані лобовими частинами і утворюють секції, кінці яких приєднані до колекторних пластин.

Колекторні пластини відділені одна від одної ізоляційними прокладками.

Створене так складне електричне коло називається обмоткою якоря, її зв'язок із зовнішньою мережею здійснюється через ковзні контакти між щітками та поверхнею колектора.

Для оптимального співвідношення електричних та механічних властивостей ковзного контакту, колекторні пластини виконують із міді з полірованою поверхнею, електрографітовані щітки у вигляді пресованих брикетиків, наприклад мідно-графітованого порошку.

Щітки та їх система кріплення належать до статора.

Кількість комплектів щіток відповідає кількості головних полюсів, вони рівномірно розподілені по колу колектора.

Щіткотримачі встановлені на щіткових траверсах, прикріплених до підшипникового щита.

Обмотки якоря, а також і інші обмотки виконуються з мідних ізольованих проводів.

Вхідні затискачі всіх обмоток зосереджені в коробці виводів, в якій обмотки можуть бути з'єднані одна з одною або з зовнішньою мережею.

Інтенсивне охолодження машини забезпечується вентилятором, закріпленим на валу. Для протоку повітря є жалюзі а також вентиляційні канали в осерді якоря. Для переміщень, монтажу МПС має транспортні вушка.

Кінці однієї секції обмотки якоря приєднані до двох сусідніх колекторних пластин через відводи від них, які називаються півниками. Оскільки колекторні пластини ізольовані одна від одної, то і кінці секції розімкнені.

Початок кожної чергової секції з'єднано з кінцем попередньої секції і з відповідною колекторною пластиною.

Таким чином секції створюють єдине послідовне електричне коло – обмотку якоря. З зовнішнім електричним колом обмотки якоря з'єднуються через колектор і щітки, що примикають до його поверхні.

Щітки нерухомі, колектор обертається разом із якорем – та утворюються ковзні електричні контакти. Щітково - колекторний вузол та його елементи – це колекторні пластини, які кріпляться на корпусі і затискаються фланцем і гвинтом. Пластини ізолюються від корпусу і фланця прокладками з міканіту (матеріалу, що зклеюється з окремих пелюсток слюди, випускається в рулонах або листах δ= 0,4-1,5 мм ).

Щітки фіксуються в щіткотримачах і притискаються до колектора натискним пальцем за допомогою пружини. з зовнішніми виводами щітки з'єднуються провідниковими канатиками.

Щітко – колекторний вузол МПС є її найменш надійною частиною, оскільки в ньому можливе іскріння, яке в сукупності є шкідливим впливом навколишнього середовища призводить до ерозії поверхні колектора і погіршення властивостей ковзного контакту.

Якщо обмотки МПС утворюють електричне коло, то феромагнітні станина, осердя головних полюсів і осердя якоря створюють головне магнітне коло – магнітопровід.

Магнітопровід проводить і підсилює основний магнітний потік машини, що створюється обмоткою збудження катушки якої розташовані на головних полюсах.

Додаткові полюси і їх обмотки відіграють специфічну роль, не пов'язану з реалізацією принципу дії МПС.

Це роль, у загальних рисах, спрямована на розв'язання так званої комутації МПС, зовнішнім негативним проявом якої є згадане вже іскріння в ковзному контакті між шітками і колектором.

У МПС середньої і великої потужності з тією ж метою застосовують компенсаційну обмотку, яка розташовується в пазах зроблених в наконечниках осердь головних полюсів.

Копенсаційні обмотки та обмотки додаткових полюсів вмикаються послідовно в електричне коло обмотки якоря.

Крім названих частин МПС має також дав підшипникових щита попередній – зі сторони колектора, та задній.

В центральній частині шита зроблена розточка під підшипники.

На передньому шиті є вікно з кришкою, через яке можна оглянути колектор та щітки.

§24.2

ст..321-328

Питання для контролю:

1. Як побудувати машину постійного струму?

2. Будова та призначення статора МПС.

3. Будова якоря МПС.

4. Призначення та будова щітко – колекторного вузла.

5. Які елементи входять до електричного кола МПС і які до магнітного кола?