Электрические машины

Занятие по рабочей программе №17

Дисциплина: «Электротехника и электроника»

Раздел 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Тема 2.3. Электрические машины.

1. Назначение и классификация электрических машин.

2. Генераторы постоянного тока.

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Электрические машины.

1. Назначение и классификация электрических машин.

2. Генераторы постоянного тока.

ПЛАН

1. Классификация электрических машин.

2. Генераторы постоянного тока.

1. Изложение и изучение нового материала.

1. Классификация электрических машин

Современная электроэнергетика движет всем, что мы привыкли использовать в повседневной жизни, она заставляет работать самолеты, поезда, автомобили, производственные мощности любых масштабов и бытовые приборы.

Принцип действия машин, использующихся в этой отрасли, состоит в том, что они преобразуют механичную энергию в электрическую.

Параметры классификации электрических машин

Классификация электрических машин производится с учетом нескольких параметров, таких как:

• Назначение;

• Принцип действия;

• Мощность;

• Частота вращения.

Чтобы понять, какие виды машин используются в тех или иных сферах, стоит рассмотреть все их характеристики более подробно.

1.1. Классификация электрических машин по назначению

Классификация электрических машин по назначению производится исходя из целей, для каких они применяются. Например, существуют электромашинные генераторы. они способны преобразовывать механическую энергию в электрическую.

Самыми яркими примерами таких машин являются электростанции, поезда, теплоходы и автомобили.

В зависимости от места назначения механизмы приводят в действие двигатели внутреннего сгорания, газовые, гидравлические или паровые турбины.

Также существуют машины, осуществляющие обратное преобразование энергии, они превращают электрическую энергию в механическую.

Такие типы изделий используются в сельском хозяйстве и на производствах, в быту и в других отраслях, а также там, где нужен автоматический запуск различных устройств и механизмов.

Еще одним популярным видом являются электромашинные преобразователи, их функции заключаются в превращении постоянного тока в переменный и наоборот, регулировке и изменении напряжения, частоты и прочих параметров.

Этот вид машин в наше время активно вытесняют статистические полупроводниковые преобразователи, хотя их до сих пор используют в быту, на производствах и в других сферах деятельности.

Компенсаторы повышают коэффициент мощности приемников и передатчиков электрических установок.

Электромашинные усилители повышают мощность сигнала. Преобразователи или микромашины предназначены для усиления, преобразования и генерации различные сигналов, позволяют осуществлять автоматическое регулирование в различных механизмах.

1.2. Классификация электрических машин по принципу действия

Классификация электрических машин осуществляется по виду тока. Он может быть постоянным или переменным.

В свою очередь, машины переменного тока делятся на:

Трансформаторы, которые трансформирую энергию, распределяют ее и преобразовывают напряжение;

Асинхронные выступают в роли электрических двигателей, они разделяются на однофазные, двухфазные, трехфазные, с короткозамкнутым ротором, с обмоткой возбуждения, с постоянными магнитами или конденсаторные;

Синхронные на электрических станциях генерируют переменный ток промышленной и повышенной частоты, если применяются в качестве автономных источников питания;

Коллекторные машины, они же электродвигатели, имеют сложное устройство и требуют очень тщательного обслуживания и ухода, работают на постоянном и переменном токе, используются для создания устройств автоматики и электрических бытовых приборов;

Машины постоянного тока служат в качестве электродвигателей и генераторов. Они применяются в создании устройств электропривода, в которых нужно регулировать частоты вращения, например в сложных промышленных станках, технике, использующейся для рытья земли, обработки металла, также служат источником питания средств связи.

Существуют и другие разновидности машин из данной категории, они чаще всего являются специализированными, поскольку рассчитаны на выполнение определенных задач в специфических сферах человеческой деятельности.

По мощности, такие машины классифицируют:

Большие – в несколько сотен мегаватт;

Средние – от 10 кВт;

Малые – от 0.5 до 10 кВт;

Микромашины – от 0.5 кВт и ниже.

1.3. Классификация электрических машин по частоте вращения

Существует такая условная классификация электрических машин по данному признаку:

Тихоходные – до 300 оборотов в минуту;

Средние – от 300 до 1500 оборотов в минуту;

Быстроходные – от 1500 до 6000 оборотов в минуту;

Сверхбыстроходные – больше 6000 оборотов в минуту.

Используются и другие параметры, по которым осуществляется классификация электрических машин, они учитываются для достижения определенных результатов в специфических сферах деятельности человека.

Возможность преобразовывать разные виды энергии, генерировать ее и распределять открывает перед людьми неограниченное поле для изобретения новейших технологических устройств, автоматизации производств и других отраслей.

2. Генераторы постоянного тока

2.1. Принцип действия генератора постоянного тока

Р абота генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется э д. с.

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока (рис. 1) состоит из неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора 4. Статор представляет собой стальной корпус, к которому крепятся другие детали машины, в том числе магнитные полюсы 2. На магнитные полюсы насаживается обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током и создающая основной магнитный поток Ф0. 

Рис. 1. Магнитная цепь машины постоянного тока с четырьмя полюсами

Рис. 2. Листы, из которых набирают магнитную цепь ротора: а) — с открытыми пазами, б) — с полузакрытыми пазами

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с пазами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции (рис. 2). В пазы (5 на рис. 1) ротора закладывается рабочая обмотка машины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется э. д. с. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Значение э. д. с. генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока показан на рис. 3.

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Представим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с 

Где, В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное значение э. д. с. Когда виток занимает горизонтальное положение, э. д. с. в проводниках равна нулю.

Направление э. д. с. в проводнике определяется по правилу правой руки (на рис. 3 оно показано стрелками). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление э. д. с. в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, э. д. с. которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению э. д. с. на щетках — е_щ (рис. 4). 

Рис. 3. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 4. Изменение во времени э.д.с. простейшего генератора постоянного тока

Х отя э. д. с. простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один оборот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. Э. д. с. с такой большой пульсацией непригодна для большинства приемников постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать постоянной.

Для уменьшения пульсаций обмотку якоря генератора постоянного тока выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор — из большого числа коллекторных пластин, изолированных друг от друга. 

Рассмотрим процесс сглаживания пульсаций на примере обмотки кольцевого якоря (рис. 5), состоящей из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь вращается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, расположенных на внешней стороне якоря, индуцируется э. д. с. (направление показано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, состоящую из последовательно соединенных витков. Но относительно щеток обмотка якоря представляет собой две параллельные ветви. На рис. 5, а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая — из катушки 4 (в катушках 1 и 3 э. д. с. не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рис. 5, б якорь показан в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая — из последовательно включенных катушек 3 и 4. 

Рис. 5. Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем

Каждая катушка при вращении якоря по отношению к щеткам имеет постоянную полярность. Изменение э. д. с. катушек во времени при вращении якоря показано на рис. 6, а. Э. д. с. на щетках равна э. д. с. каждой параллельной ветви обмотки якоря. Из рис. 5 видно, что э. д. с. параллельной ветви равна или э. д. с. одной катушки, или сумме э. д. с. двух соседних катушек: 

В результате этого пульсации э. д. с. обмотки якоря заметно уменьшаются (рис. 6, б). При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную э. д. с. обмотки якоря. 

2.2. Конструкция генераторов постоянного тока

В процессе технического прогресса в электромашиностроении конструктивный вид машин постоянного тока изменяется, хотя основные детали остаются теми же.

Рассмотрим устройство одного из типов машин постоянного тока, выпускаемых промышленностью. Как указывалось, основными частями машины являются статор и якорь. Статор 6 (рис 7), изготовленный в виде стального цилиндра, служит как для крепления других деталей, так и для защиты от механических повреждений и является неподвижной частью магнитной цепи.

К статору крепятся магнитные полюсы 4, которые могут представлять собой постоянные магниты (у машин малой мощности) или электромагниты. В последнем случае на полюсы насаживается обмотка возбуждения 5, питаемая постоянным током и создающая неподвижный относительно статора магнитный поток.

При большом числе полюсов их обмотки включают параллельно или последовательно, но так, чтобы северный и южный полюсы чередовались (см. рис. 1). Между главными полюсами располагаются добавочные полюсы со своими обмотками. К статору крепятся подшипниковые щиты 7 (рис. 7).

Якорь 3 машины постоянного тока набирается из листовой стали (см. рис. 2) для уменьшения потерь мощности и от вихревых токов. Листы изолируются друг от друга. Якорь является подвижной (вращающейся) частью магнитопровода машины. В пазы якоря укладывается обмотка якоря, или рабочая обмотка 9. 

Рис. 6. Изменение во времени э.д.с катушек и обмотки кольцевого якоря

В настоящее время выпускаются машины с якорем и обмоткой барабанного типа. Рассмотренная ранее обмотка кольцевого якоря имеет недостаток, заключающийся в том, что э. д. с. индуцируется только в проводниках, расположенных на внешней поверхности якоря. Следовательно, активными являются только половина проводников. В обмотке барабанного якоря все проводники — активные, т. е. для создания той же э. д. с, что и в машине с кольцевым якорем, требуется почти в два раза меньше проводникового материала.

Расположенные в пазах проводники обмотки якоря соединяются между собой лобовыми частями витков. В каждом пазу обычно располагается несколько проводников. Проводники одного паза соединяются с проводниками другого паза, образуя последовательное соединение, называемое катушкой или секцией. Секции соединяются последовательно и образуют замкнутую цепь. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы э. д. с. в проводниках, входящих в одну параллельную ветвь, имели одинаковое направление.

На рис. 8 показана простейшая обмотка якоря барабанного типа двухполюсной машины. Сплошными линиями показано соединение секций друг с другом со стороны коллектора, а пунктирными — лобовые соединения проводников с противоположной стороны. От точек соединения секций делаются отпайки к коллекторным пластинам. Направление э. д. с. в проводниках обмотки показано на рисунке: «+» — направление от читателя, «•» — направление на читателя.

Обмотка такого якоря имеет также две параллельные ветви: первая, образованная проводниками пазов 1, 6, 3, 8, вторая — проводниками пазов 4, 7, 2, 5. При вращении якоря сочетание пазов, проводники которых образуют параллельную ветвь, все время изменяется, но всегда параллельная ветвь образуется проводниками четырех пазов, занимающих постоянное положение в пространстве. 

Выпускаемые заводами машины имеют десятки или сотни пазов по окружности барабанного якоря и число коллекторных пластин, равное числу секций обмотки якоря.

Коллектор 1 (см. рис. 7) состоит из медных изолированных друг от друга пластин, которые соединяют с точками соединения секций обмотки якоря, и служит для преобразования переменной э. д. с. в проводниках обмотки якоря в постоянную э. д. с. на щетках 2 генератора или преобразования постоянного тока, подводимого к щеткам двигателя из сети, в переменный ток в проводниках обмотки якоря двигателя. Коллектор вращается вместе с якорем.

Рис. 7. Устройство машины постоянного тока якоря барабанного типа

Рис. 8. Простейшая обмотка

При вращении якоря по коллектору скользят неподвижные щетки 2. Щетки бывают графитовые и медно-графитовые. Они крепятся в щеткодержателях, которые допускают поворот на некоторый угол. С якорем соединена крыльчатка 8 для вентиляции. 

2.3. Классификация и параметры генераторов постоянного тока

В основу классификации генераторов постоянного тока положен вид источника питания обмотки возбуждения. Различают:

1 ) генераторы с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника (аккумулятора или другого источника постоянного тока). У генераторов малой мощности (десятки ватт) основной магнитный поток может создаваться постоянными магнитами,

2) генераторы с самовозбуждением, обмотка возбуждения которых питается от самого генератора. По схеме соединения обмоток якоря и возбуждения по отношению к внешней цепи бывают: генераторы параллельного возбуждения, у которых обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря (шунтовые генераторы), генераторы последовательного возбуждения, у которых эти обмотки включены последовательно (сериесные генераторы), генераторы смешанного возбуждения, у которых одна обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно (компаундные генераторы).

Номинальный режим генератора постоянного тока определяется номинальной мощностью — мощностью, отдаваемой генератором приемнику, номинальным напряжением на зажимах обмотки якоря, номинальным током якоря, током возбуждения, номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указываются в паспорте генератора.

Контрольные вопросы.

1. Каково назначение коллектора?

2. Что такое обратимость электрических машин?

3. Что такое геометрическая нейтраль машины?

4. Как влияет реакция якоря на работу машины постоянного тока?

5. Отчего зависит величина вращающего момента двигателя?

6. Каково назначение добавочных полюсов?

7. Что понимают под номинальной мощностью генератора и двигателя постоянного тока?

8. Назовите виды потерь в машине постоянного тока.

9. Чем объясняется большой наклон внешней характеристики генератора смешанного возбуждения при встречном включении его обмоток возбуждения?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Составить краткий конспект лекции.

2. Ответить письменно на контрольные вопросы.

3. Подготовить презентацию: «Двигатели постоянного тока. Типы двигателей. Их основные характеристики. Потери в электрических машинах».

Основные источники:

1. Данилов, И.А., Иванов, П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М. : Высшая школа, 2010. - 752с.

2. Ермуратский, П.В., Лычкина, Г.П., Минкин, Ю.Б. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.

3. Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.

4. Иванов, И. И., Соловьев, Г. И., Фролов, В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб. : Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

1. Долгов, А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.

2. Зайцев, А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск : Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.

3. Козлова, И. С. Электротехника. Конспект лекций. - ЭКСМО, 2008. - 160 с.

4. Мартынова, И.О. Электротехника: учебник / И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.

5. Петленко, Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230 с.

6. Прошин, В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М :. – Академия, 2014. - 456с.

7. Прошин, В.М. Электротехника. М. : - Академия, 2013. – 288с.

Преподаватель: Владимир Александрович Волков