Электрические машины
Электрическая машина — электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую (генератор), либо электрическую энергию в механическую (электродвигатель), либо электрическую энергию с одними параметрами (напряжением, частотой и т.д.) в электрическую с другими параметрами.
В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.
На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.
Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:
- генераторы — источники электрической энергии;
- электродвигатели — источники механической энергии;
- специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением
Области применения электрических машин
Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10 -17 — 10 9 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.
Рисунок 1 – Области распространения электрических машин
Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].
Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах
Закон Ампера
Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила
- где F – сила, Н,
- I – сила тока, А,
– длина проводника, м,- B — магнитная индукция, Тл,
— угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.
Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:
Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]
- где E – напряженность электрического поля, В/м,
- ds – элемент контура, м,
- Ф — магнитный поток, Вб,
- t — время, с
Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции
- где – электродвижущая сила индукции, В
Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.
Вращающиеся электрические машины
Вращающаяся электрическая машина — электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].
Вращающаяся машина постоянного тока, или машина постоянного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.
Вращающаяся машина переменного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.
Виды вращающихся электрических машин
По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре
Одноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.
Разноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.
Явнополюсная машина — разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.
Неявнополюсная машина — разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.
Маневровые локомотивы
Генераторы. Принцип действия электрических генераторов основан на использовании закона электромагнитной индукции. Этот закон гласит: в проводниках, пересекающих магнитные линии, индуктируются электродвижущие силы (э. д. с), которые пропорциональны числу магнитных линий, пересеченных за единицу времени.
Электродвижущая сила, индуктированная в витке, вращающемся в основном магнитном поле (рис. 2.2), будет тем больше, чем большее число магнитных линий пересекают проводники I и 2 в единицу времени. Число пересекаемых проводниками линий зависит от густоты магнитного потока, т. е. магнитной индукции В, длины проводника 1 и частоты вращения п.
Индуктируемая в проводнике э. д. с.
В обоих проводниках индуктируются одинаковые э. д. с, следовательно, полная э. д. с.
так как 1 и п заданы, то характер изменения э. д. с. определяется изменением магнитной индукции под полюсом.
Направление э. д. с. определяют правилом правой руки. Ладонь (рис. 2.3, а) правой руки располагают так. чтобы в нее входили
Рис. 2.1. Расположение электрооборудования на тепловозе 2ТЭ10М: I приемные катушки АЛСН; 2 двухмашинный агрегат; 3- ящик дешифратора усилителя АЛСН; 4- электродвигатель отопительно-вептиляционного агрегата; 5— прожектор; 6-локомотивный светофор; 7-электропневматический клапан Э11К; в — громкоговоритель радиостанции; 9 ■ электродвигатель вентилятора к\ зова: 10- световой номер; 1/- блокировка валоповоротиого устройства; 12 реле сброса нагрузки; 13 — реле остановки дизеля; 14 -дизель; 15 комбинированное реле давления; 16′- электрппиевматические вентили открытия жалюзи; 17-тяговый электродвигатель; 18 ~ буферный фонарь; 19 пульт управления радиостанцией; 20 -пульт управления тепловозом: 21- скоростемер; 22 переговорное устройство; 23 — кнопка маневровой работы; 24—а»тенно-согласующее устройство радиостанции; 25-правая аппаратная камера, 26, 27 блоки радиостанции; 28-трансформатор стабилизирующий; 29 -левая аппаратная камера; 30 — тяговый генератор: ,’)/- электродвигатель маслопрокачивающего насоса; 32-разъемы пожарной сигнализации; 33 электродвигатель топливоподкачивающего насоса: 34, 41 коробки распределительные; 35-аккумуляторные ящики; 36 — датчики пожарной сигнализации; 37- объединенный регулятор дизеля; 38- синхронный подвозбудитель; 39, 40 -датчики; 42-электропневматический клапан песочницы задней тележки; 43 розетка междутепловозного соединения; 44-задний красный фонарь; 45 задний белый буферный фонарьлинии магнитного поля, а отогнутый большой палец указывал направление движения (вращения) проводника,тогда вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э. д. с. Применяя это правило к проводнику, изображенному на рис. 2.2, найдем, что э. д. с. проводника направлена от нас за плоскость чертежа. Такое направление э. д. с. и соответственно тока условились обозначать крестом ( + ), а противоположное направление, т. е. к нам,- точкой (.). Простейший генератор переменного тока (рис. 2.4) представляет собой виток 1-2, вращающийся в равномерном магнитном поле, создаваемом электромагнитами N ч Б. Концы витка 1-2 присоединены к двум кольцам, вращающимся с той же частотой, что и виток.
На кольца наложены щетки А и В, к которым присоединяется внешняя цепь.
Вращая виток с постоянной скоростью в равномерном магнитном поле, мы заметим, что через одинаковые промежутки времени он будет пересекать неодинаковое число магнитных линий. При расположении сторон витка в горизонтальной плоскости в нем не будет вовсе индуктироваться э. д. с, так как он не пересекает силовых линий. При расположении витка в вертикальной плоскости, т. е. под серединами полюсов, э. д. с. будет иметь наибольшее число магнитных линий, т. е. между крайними положениями э. д. с. будет плавно изменяться, повторяя кривую распределения индукции В.
Если виток вращается против часовой стрелки, то, применив правило правой руки к одному из проводников витка 1-2, например к проводнику 1, мы увидим, что, пока он перемещается под северным полюсом, в нем индуктируется э. д. с, направленная к нам (.), а когда он перемещается под южным полюсом,- э. д. с, направленная от нас ( + ).
Таким образом, в рассматриваемом витке 1-2 индуктируется переменная во времени э. д. с, изменяющая свое направление дважды за один его оборот (рис. 2.5, а).
Точно так же будет изменять свое направление и получаемый
мри этом ток. Такой ток называется переменным.
Время, в течение которого происходит одно полное изменение э. д. с, называется периодом и обозначается буквой Т, а длина окружности якоря т. приходящаяся на один полюс,-■- полюсным делением: т = пЮ/2р.
Число периодов в секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). Если машина имеет р пар полюсов, то частота наводимой э. д. с. 1 увеличивается пропорционально р. т. е. ! — пп.
Рис. 2.4. Схема работы машины переменного тока
Обычно частота вращения измеряется числом оборотов в минуту; в этом случае
Чтобы выпрямить переменный ток, т. е. заставить его течь во внешней цепи в одном направлении, применяют специальное устройство — коллектор. Коллектор представляет собой медное кольцо, разрезанное па несколько частей (пластик), изолированных друг от друга. Концы витка 1-2 присоединяются к двум пластинам (рис. 2.6), на которые наложены неподвижные щетки А и В. электрически соединенные с внешней цепью.
Щетки на коллекторе должны устанавливаться так, чтобы они переходили с одной пластины на другую г, тот момент, когда индуктируемая э. д. с. в витке равна нулю. В этом слч’чае при вращении витка 1 — 2 в нем по-прежнему будет индуктироваться переменная э. д. с, но каждая щетка будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно с тем проводником, который находится под определенным полюсом. Так, например, щетка А б\дет ыида соединена с проводником, находящимся под северным полюсом, а щетка В -■ с проводником, находящимся под южным полюсом.
Следовательно, при замене двух колец коллектором напряжение и ток во внешней цени получаются постоянными по направлению (ток будет течь от щетки А к щетке В), но переменными по значению, т. е. будут пульсирующими (рис. 2.5, 6). Таким образом, при помощи коллектора происходит выпрямление переменного тока, индуктируемого в витке, в пульсирующий ток во внешней цени, который малопригоден для практических цепей. Чтобы сгладить пульсацию тока, необходимо увеличить число витков и соответственно ему число коллекторных пластин, т. е. уложить на якорь обмотку, состоящую из большого числа проводников, определенным образом выполненную и соединенную с коллектором.
Нел и обмотка якоря имеет большое число проводников, то пульсация значительно уменьшается. Так, при восьми коллекторных пластинах на полюс пульсация напряжения на щетках не превышает 1 % и ток можно считать практически постоянным.
Электродвижущая сила генератора. Если предположить, что Л’ — число активных проводников обмотки якоря, 2а — число параллельных ветвей, Оя — диаметр якоря, п — частота вращения якоря, измеряемая числом оборотов в минуту, то основной ноток Ф = т/В,-Р, тогда э. д. с. якоря
Рис. 2.6. Схема работы машины постоянного тока
Как следует из выражения (2.3), э. д. с. 1;я пропорциональнаосновному магнитному потоку и частоте вращения якоря и не зависит от формы кривой распределения индукции в воздушном зазоре.
Напряжение ІІя на зажимах якоря генератора меньше э. д. с. £я на значение падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря гп:
Рис. 2.7. Схема работы простейшей электрической машины постоянного тока в режиме: а- генератора: б двигателя
Следовательно, э. д. с. генератора можно регулировать изме нением магнитного потока (тока возбуждения) генератора иди изменением частоты вращения вала якоря. Падение напряжения обмотки якоря имеет небольшое значение, поэтому, регулируя э. д. с. генератора, мы можем соответственно регулировать его напряжение.
У машин, работающих в режиме генератора, проводники обмотки якоря с током 1я находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис. 2.7, а):
Направление этих сил определяется по правилу левой руки (см. рис. 2.3, б).
Силы ^„р создают вращающий электромагнитный момент:
При тех же предположениях, которые были сделаны при определении 1:’„. электромагнитный момент может быть выражен:
Л.эм = с„Ф/я, (2.6) при этом с» = ^-постоянная величина для каждой машины.
Режим двигателя. Рассмотрев принцип действия простейшей машины, можно установить, что она может работать также двигателем. Действие электродвигателей основывается на взаимодействии магнитного поля с проводником, по которому проходит ток. Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать электромагнитная сила 1-«„р, определяемая по формуле (2.5). Под действием силы проводник начнет перемещаться перпендикулярно магнитным линиям. Направление перемещения проводника определяют по правилу левой руки.
Если к обмотке якоря машины подвести постоянный ток от внешнего источника, то в результате взаимодействия с магнитным потоком главных полюсов возникает электромагнитный момент Мэм, определяемый равенством (2.6). При достаточном значении Мач якорь придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Электромагнитный момент Мэм действует в направлении вращения и является движущим (см. рис. 2.7, б). При работе машины электродвигателем коллектор превращает потребляемый от внешнего источника постоянный ток в переменный в обмотке якоря.
Противоэлектродвижущая сила. При вращении якоря электродвигателя проводники его обмотки пересекают магнитные линии, вследствие этого в них индуктируется э. д. с. Ея, определяемая равенством (2.3). Электродвижущая сила якоря £я направлена против тока 1я и приложенного к зажимам якоря напряжения 17Я, поэтому ее также называют противоэлектродвижущей силой.
Напряжение, приложенное к якорю двигателя, уравновешивается э. д. с. Ея и падением напряжения в обмотке якоря:
Нельзя не отметить, что сопротивление обмоток тяговых двигателей тепловозов мало (около 0,04 Ом) и, следовательно, напряжение ия практически уравновешивается противо э. д. с. Ея.
Ток, протекающий по обмотке якоря 1я, согласно закону Ома
Если в формулу (2.7) подставить значение £я из условия (2.3), то получим зависимость, определяющую регулирование частоты вращения якоря электродвигателя:
Регулирование частоты вращения валов тяговых двигателей тепловозов описано ниже.
Принцип обратимости. Изложенное выше показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Таким свойством обладают все вращающиеся электрические машины, и называется оно обратимостью. Переход машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения осуществляется изменением направления тока в обмотке якоря. Аналогично может происходить изменение режима работы в машинах переменного тока.
Преобразование энергии. Направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока показаны на рис. 2.8. По первому закону Ньютона действующие на вращающееся тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга.
В генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент
гдеМ, — момент иа валу генератора, развиваемый первичным двигателем; 1Итр- момент сил трения (в подшипниках, о воздух, на коллекторе); 1Ис — тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.
где М„ — тормозящий момент на валу двигателя (насос, станок, генератор и др.).
В генераторе Мэм является тормозящим моментом, а в двигателе — движущим, причем в обоих случаях Мэм и Мв противоположны по направлению. Электромагнитный момент Мэм развивает мощность Я,м, которая называется электромагнитной мощностью:
В обмотке якоря под действием Ея и 1я развивается внутренняя электрическая мощность:
Рис. 2.8. Направление э. д. с, тока и моментов:
а — в генераторе; б — в двигателе постоянного тока
Как видно, внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.
Если умножить соотношения (2.4) и (2.7) на 1я, то для генератора получим
а для двигателяс/я/я = Яя/я + 1я’-я. (2.15)
Левые части выражений — это электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей — электромагнитные мощности якоря, а последние члены — электрические потери в якоре.
Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины, они действительны и для машин с более сложной обмоткой, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников суммируются. Эти соотношения выражают закон сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока. По этому закону механическая мощность, развиваемая на валу генератора (кроме механических и магнитных потерь), преобразуется в электрическую мощность в обмотке якоря, которая за вычетом потерь в обмотке якоря поступает во внешнюю цепь.
В двигателях электрическая мощность, подводимая к якорю, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть превращается в мощность электромагнитного поля, а затем в механическую мощность, которая без потерь на трение и в стали якоря передается на вал двигателя (на нагрузку). Общие закономерности преобразования энергии, установленные применительно к машине постоянного тока, относятся также к машине переменного тока.
- © 2009-2020 Локомотивы ЧМЭ, ТГМ, ТЭМ
На чем основан принцип действия электрических машин
Requested virtual server does not exist or temporarily unavailable.
Возможные причины ошибки:
Possible causes of error :
-
Сервер, на котором размещён данный ресурс перегружен;
The server is overloaded;
The virtual server has been incorrectly configured;
Service for requested resource is suspended;
Свяжитесь с нами для получения подробной информации. Контакты
Contact us for more information. Our contacts
Как классифицируются электрические машины и какие существуют их типы?
Электрические машины служат для преобразования энергии.
Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии (Кацман М. М. Электрические машины).
В зависимости от рода преобразования энергии машины можно разделить на три группы:
1. Машины для превращения механической энергии в электрическую — генераторы.
2. Машины для превращения электрической энергии в механическую — двигатели.
3. Машины для преобразования электрической энергии одного вида в электрическую же энергию другого вида — трансформаторы, электромашинные преобразователи частоты.
Трансформаторы являются статическими преобразователями электроэнергии переменного тока. Отсутствие каких-либо вращающихся частей придает трансформаторам конструкцию, принципиально отличающую их от электрических машин. Однако принцип действия трансформаторов, так же как и принцип действия электрических машин, основан на явлении электромагнитной индукции, и поэтому многие положения теории трансформаторов составляют основу теории электрических машин переменного тока.
Во всех электрических машинах преобразование энергии осуществляется при помощи третьего вида энергии, а именно магнитной. Таким образом, в каждой электрической машине имеются две электрические цепи (которые, вообще говоря, могут быть соединены вместе), связанные при помощи магнитного контура.
На долю одной из этих электрических цепей выпадает задача создания магнитного потока.
Электродвигатели и электрогенераторы:
По способу создания потока, сильно влияющему на конструкцию, электрических машин, их можно разделить на две группы:
1. У машин постоянного тока и у синхронных машин переменного тока магнитный поток создается в особых обмотках (электромагнитах), присоединенных к источнику постоянного тока.
Возбуждение электромагнитов поддается здесь произвольному изменению во время работы. Благодаря электромагнитам поток «жестко» связан с определенными частями машины. Этим самым, а также и благодаря возбуждению постоянным током, обусловливается синхронизм между движением поля по окружности якоря и скоростью вращения якоря машины.
По своей сущности машина постоянного тока представляет собою синхронную многофазную машину, многофазные токи которой превращаются коллектором в постоянный ток.
2. У асинхронных машин с вращающимся полем и у трансформаторов поток создается реактивным током питающей сети. Поток в основном постоянен. Он заранее обусловлен напряжением сети и устройством машины с электрической точки зрения.
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором в разрезе
Все электрические машины можно классифицировать по ряду признаков.
1. По назначению :
- Электрические генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую,
- Электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую (см. процесс преобразования энергии в электрических машинах),
- Электромашинные преобразователи, преобразующие переменный ток в постоянный и наоборот, изменяющие величину напряжения, частоту и число фаз,
- Электромашинные компенсаторы, осуществляющие генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приёмников электроэнергии,
- Электромеханические преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы.
- Электрические машины постоянного тока,
- Электрические машины переменного тока: синхронные, асинхронные,
- Микромашины – до 500 Вт,
- Машины малой мощности – от 0,5 кВт до 10 кВт,
- Машины средней мощности – от 10 кВт до 100 кВт,
- Машины большой мощности – свыше 100 кВт.
4. По частоте вращения :
- Тихоходные – до 300 об/мин,
- Средней быстроходности – от 300 об/мин до 1500 об/мин,
- Быстроходные – от 1500 об/мин до 6000 об/мин,
- Сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин.
5. По степени защиты :
- Открытое исполнение (соответствует степени защиты IP00),
- Защищенное (IP21, IP22),
- Брызгозащищенное и каплезащищенное (IP23, IP24),
- Водозащищенное (IP55, IP56),
- Пылезащищенное (IP65, IP66),
- Закрытое (IP44, IP54),
- Герметичное (IP67, IP68).
6. По группе эксплуатации
Каждая электрическая машина относится к какой-либо группе эксплуатации, обозначаемая М1 — М31. Указанная группа характеризует приспособленность машины к вибрации с определенной частотой, к ускорениям и ударам.
В основном, машины общего назначения относятся к группе М1, предусматривающей размещение на стенах или фундаментах при отсутствии ударных нагрузок.
7. По продолжительности и особенности работы машины
Продолжительность и особенности работы машины характеризуется режимом работы, который указывается в паспорте и обозначается буквой S и цифрой от 1 до 8. Описание режимов работы приводится в нормативных документах. См. здесь: Режимы работы электродвигателей.
Например, S1 – продолжительный режим, при котором машина успевает нагреться до установленной температуры. Режим работы имеет значение при выборе электродвигателей для привода различных механизмов.
8. По способу монтажа
Исполнение электрической машины по способу монтажа обозначается буквами IМ и четырьмя цифрами, например, IМ1001, IМ3001 и др. Первая цифра характеризует конструктивное исполнение машины (на лапах – для установки на горизонтальной поверхности, электрические машины с фланцем – для крепления к вертикальной поверхности и т.д.).
Далее двумя цифрами обозначается способ монтажа и направление конца вала машины, а последняя цифра указывает на исполнение конца вала (цилиндрический, конический и пр.)
Основные показатели и характеристики электрической машины, на которые она рассчитана, называются номинальными и указываются на паспортной табличке , прикрепленной к корпусу машины.
Классификация электрических машин (электрических двигателей) по книге Кацман М. М. «Электрические машины»:
Про различные виды электрических машин смотрите подробно здесь: