5.2 Электрические машины

Электрические машины это электротехнические устройства (ЭТУ) служащие для преобразования:

1) электрической энергии в механическую – (двигательный режим);

2) механическую энергию в электрическую – (генераторный режим).

Существуют два основных вида электрических машин: машины постоянного тока и машины переменного тока (асинхронные и синхронные).

Принцип действия всех электрических машин базируется на двух законах:

1) на законе электромагнитной индукции – ;

2) на законе Ампера – .

В генераторном режиме базовым является закон ЭМИ. Для работы генератора необходимо каким либо образом изменять (используя механическую энергию) магнитный поток пронизывающий электрический проводник. В проводнике возникает ЭДС, а на концах проводника разность потенциалов (напряжение). При подключении к концам проводника внешней нагрузки (сопротивления) по нагрузке потечет ток .

В двигательном режиме базовым является закон Ампера. При подключении к проводнику внешнего источника электрической энергии по нему потечет ток. Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила F тем большая, чем больше ток, магнитное поле и длина проводника.

Машины постоянного тока

Машины постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части – статора и вращающейся части – ротора. Устройство (схематично) машины постоянного тока показано на рис. 5.3.

Р

ис. 5.3 – Устройство (схематично) машины постоянного тока

Статор представляет собой стальной корпус – станину, на внутренней цилиндрической поверхности которого укреплены сердечники главных полюсов с полюсными наконечниками. На сердечники надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения, подключенную к источнику постоянного тока. Обмотка возбуждения расположена на главных полюсах и создает основной магнитный поток Ф двигателя.

Ротор состоит из якоря и коллектора, которые крепятся на одном валу и в механическом отношении составляют одно целое. Якорь представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из листов электротехнической стали. В его продольных пазах уложена обмотка, выполненная из отдельных секций соединенных между собой и с коллекторными пластинами.

Коллектор представляет собой цилиндр, составленный из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. На коллектор накладываются неподвижные медно-графитовые щетки, посредством которых осуществляется соединение обмотки якоря с выводными клеммами. Коллектор и щетки предназначены для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности (например, северного полюса) в зону полюса другой полярности – (южного полюса). Благодаря этому сохраняется неизменным направление вращения якоря для режима двигателя или полярность выходного напряжения в режиме генератора.

Существуют четыре способа возбуждения основного магнитного потока машины:

1) независимого возбуждения;

2) последовательного (с цепью ротора);

3) параллельного (с цепью ротора);

4) смешанного возбуждения.

Основные схемы возбуждения представлены на рис. 5.1 (а, б, в, г) соответственно:

Рис. 5.4 – схемы независимого (а), последовательного (б), параллельного (в) и смешанного (г) возбуждения основного магнитного поля машин постоянного тока

Ток обмотки возбуждения в случае независимого или параллельного возбуждения обычно составляет 1-5% от тока якоря. В случае последовательного возбуждения ток якоря равен току возбуждения.

Условно графическое изображение машин постоянного тока в генераторном (рис. 5.5 а) и двигательном режиме (рис. 5.5 б).

Рис. 5.5 – Условно графическое изображение машин постоянного тока в генераторном (а) и двигательном режиме (б)

В генераторном режиме ЭДС и ток якоря совпадают по направлению. В двигательном режиме, ЭДС, возникающая при вращении ротора, направлена навстречу внешнему напряжению и току якоря, ее называют противо ЭДС.

Двигательный режим МПТ

МПТ независимого возбуждения

При подключении постоянного напряжения к катушкам возбуждения в них возникают ток возбуждения . Это ток создает магнитное поле В в полости статора.

При подключении к двигателю постоянного напряжения в проводниках цепи якоря возникают токи . В результате взаимодействия проводника с током с магнитным полем статора В, возникает сила Ампера . Сила Ампера создает электромагнитный момент вращения:

,

где – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров двигателя; – ток якоря; – магнитный поток машины. , где S эффективная площадь витка якорной обмотки, и – диаметр и длина ротора соответственно.

Под действием вращающего момента ротор вращается. Ротор вращается в магнитном поле, вследствие этого в проводниках якорной обмотки возникает (по закону ЭМ индукции) электродвижущая сила Е. Эта ЭДС направлена навстречу внешнему напряжению, поэтому ее называют противо ЭДС. Это приводит к следующему виду уравнения двигателя:

ЭДС зависит от скорости вращения и величины магнитного потока:

.

Если двигатель «нагрузить», то есть создать на валу противодействующий момент , то в установившемся режиме момент вращения будет равен тормозному моменту . Главной характеристикой МПТ является ее механической характеристики .

Уравнение механической характеристики для ДПТ независимого возбуждения это прямая и имеет вид:

.

График механической характеристики приведен на рис. 5.6.

Рис. 5.6 – График механической характеристики двигателя постоянного тока

Из уравнения механической характеристики можно видеть способы регулирования частоты в ДПТ. Используют три способа:

1. Изменяя входное напряжение U (линейная зависимость);

2. Изменяя магнитный поток – регулируя ток возбуждения (обратная зависимость).

3. Изменяя величину дополнительного сопротивления, который включают последовательно в цепь якоря (линейная зависимость).

4. Для изменения направления вращения ротора (реверса) можно использовать два способа:

a) изменить знак (полярность) входного напряжения ;

б) изменить направление основного магнитного поля (изменить направление тока в катушках возбуждения или поменять знак напряжения возбуждения).

Генераторный режим МПТ независимого возбуждения

Генератор служит для преобразования механической энергии в электрическую энергию.

Устройство генератора и двигателя одинаковы.

При подключении постоянного напряжения к катушкам возбуждения в них возникают ток возбуждения . Это ток создает магнитное поле В в полости статора.

В генераторном режиме МПТ ротор вращают с помощью внешней приложенной силы. Вследствие этого, в проводниках якорной обмотки ротора возникает (по закону электромагнитной индукции) электродвижущая сила . На концах обмотки якоря возникает разность потенциалов U. Если к выходным клеммам генератора подключить нагрузочное сопротивление, то по нему потечет ток . Это ток равен току якоря . Ток якоря, протекая по проводам якоря создает на них падение напряжения и нагревает их (-сопротивление проводов обмоток якоря). Поэтому, напряжение на клеммах генератора будет меньше ЭДС генератора на величину падения напряжения в цепи якоря . Уравнения генератора:

Это уравнение называют так же внешней или рабочей характеристикой генератора. (рис. 5.7)

Рис.5.7 – Внешней характеристика генератора

На практике важны следующие технически характеристики генератора:

• – номинальное выходное напряжение, (кВ);

• – номинальная выходная мощность (кВт);

• – номинальный ток нагрузки (A);

• n – номинальная скорость вращения ротора (об/мин);

• способ возбуждения магнитного поля.

Вероятные вопросы интернет тестирования по теме 5.2

1.Электромагнитный момент двигателя постоянного тока независимого возбуждения равен :

(а) ,

(б) ,

(в) ,

(г) ,

Ответ(в)

3.Уравнение двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид::

(а)

(б)

(в)

(г)

Ответ(г)

4.Уравнение механической характеристики МПТ независимого возбуждения имеет вид:

(а)

(б)

(в)

(г)

Ответ(б)

5.Уравнение рабочей характеристики генератора постоянного тока с независимым возбуждением имеет вид:

(а)

(б)

(в)

(г)

Ответ(а)