Лекция № 9 электрические машины
К электрическим машинам относятся электромашинные генераторы, электродвигатели и преобразователи.
Электрические машины, действие которых основано на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования механической энергии в электрическую энергию, называются электромашинными генераторами.
Электрические машины, действие которых основано на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования электрической энергии в механическую энергию, называются электродвигателями.
Преобразователями называются электрические машины, служащие для преобразования электрической энергии одних параметров в другие. Преобразовываться могут род тока, частота, напряжение число фаз.
Электрические машины обладают свойством обратимости, то есть могут работать генераторами, если их вращать каким-либо двигателем и могут использоваться как электродвигатели, если к ним подводить электроэнергию.
Электрические машины подразделяются на машины переменного и постоянного тока.
Электрические машины переменного тока в свою очередь подразделяются на синхронные, асинхронные и коллекторные.
Наибольшее распространение получили синхронные генераторы переменного трехфазного тока и трехфазные асинхронные двигатели.
Коллекторные электродвигатели переменного тока имеют ограниченное применение вследствие сложности конструкции, обслуживания и более высокой стоимости. Основным их преимуществом является возможность регулирования скорости вращения в широких пределах, что затруднительно в асинхронных двигателях.
Электродвигатели постоянного тока представляют собой сочетание машин переменного тока с механическим выпрямителем (коллектором, который преобразует переменный ток в постоянный).
Электрические машины постоянного тока также имеют ограниченное применение вследствие их более высокой стоимости и сложности техобслуживания по сравнению с машинами переменного тока.
Асинхронные электродвигатели
Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на явлении вращающегося магнитного поля.
Вращающимся называется магнитное поле, вектор магнитной индукции которого вращается с постоянной угловой скоростью. При этом модуль вектора магнитной индукции остается постоянным.
Опытным путем было установлено, что если три катушки из провода расположить в пространстве под углом 1200 друг к другу и пропустить по ним переменный трехфазный ток, то в пространстве между катушками магнитное поле будет вращаться с угловой скоростью, зависящей от частоты переменного трехфазного тока.
Рассмотрим три одинаковые катушки из провода, расположенные таким образом, чтобы их оси пересекались под углом 1200. На рисунке каждуюкатушку схематически будем изображать в виде одного витка. Катушки будем изображать в поперечном разрезе.
Начала катушек присоединены к трем линейным проводам и обозначены буквами A, B, C.
Концы катушек обозначены X, Y, Z и соединены в одной точке, то есть катушки соединены звездой.
Графики токов проходящих по катушкам имеют вид:
Мгновенные значения токов положительного направления расположены выше оси времени, а отрицательные то есть противоположного, ниже оси времени.
Проанализируем направление суммарного магнитного поля катушек в несколько последовательных моментов времени.
На рисунке при положительном направлении тока на начале катушки стоит «+», а на конце катушки стоит «•». При отрицательном направлении тока в катушке обозначения обратные: на начале катушки стоит «•», а на конце «+».
Направление силовых линий суммарного магнитного поля катушек определяется по правилу буравчика.
Выберем три последовательных момента времени:
1 => A = 0, B < 0, C > 0;
2 => C = 0, A > 0, B < 0;
3 => B = 0, A > 0, c < 0.
В момент времени 1 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:
В момент времени 2 распределение токов, и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:
В момент времени 3 распределение токов, и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:
Сравнивая эти рисунки мы видим, что магнитное поле в пространстве между катушками повернулось против часовой стрелки на 1200. Аналогично рассмотрев направления токов в катушках в другие моменты времени можно увидеть, магнитное поле поворачивается на 3600.
Из этих рисунков видно, что у результирующего поля имеется два полюса.
Вращающееся магнитное поле создаваемое тремя катушками называется двухполюсным.
Скорость его вращения равна частоте трехфазного тока, который образует это поле.
При частоте тока 50 Гц двухполюсное поле вращается со скоростью 50 об/с или 3000 об/мин.
Вращающееся магнитное поле может быть двух-, четырех-, шести- и так далее полюсным. Это достигается увеличением числа катушек в каждой фазе. Катушки в каждой фазе включаются последовательно. При шести катушках ( по две в каждой фазе) получается четырехполюсное магнитное поле. Частота вращения будет в этом случае 1500 об/мин.
Частота вращения магнитного поля определяется:
n = 60f/p,
где n - частота вращения в об/мин; f - частота трехфазного переменного тока; p - число пар полюсов.
Частота вращения многополюсного магнитного поля относительно обмоток статора, называется синхронной частотой.