Лекция №3. Электрические машины как основа электроэнергетики

Цель лекции:

- ознакомить студентов сэлектроме­ханическими преобразователями энергии, принципом образо­вания вращающегося поля, обобщенной электрической машиной.

Содержание лекции:

- электрические машины — это электроме­ханические преобразователи;

- принцип образо­вания вращающегося поля;

- обобщенная электрическая машина;

- основные конструктивные исполнения электрических машин.

Электрические машины — это электроме­ханические преобразователи, в которых осу­ществляется преобразование электрической энергии в механическую или механической в электрическую. Основное отличие электри­ческих машин от других преобразователей в том, что они обратимы, т. е. одна и та же машина может работать в режиме двигате­ля, преобразуя электрическую энергию в ме­ханическую, и в режиме генератора, преобра­зуя механическую энергию в электрическую.

По виду создаваемого в машинах поля, в котором происходит преобразование энер­гии, электрические машины подразделяются на индуктивные, емкостные и ин­дуктивно-емкостные. Современные широко применяемые в промышленности и других отраслях народного хозяйства элек­трические машины — индуктивные. Преобра­зование энергии в них осуществляется в маг­нитном поле. Емкостные электрические ма­шины, хотя и были изобретены задолго до индуктивных, до сих пор не нашли практиче­ского применения из-за сложности создания достаточно мощного электрического поля, в котором происходит преобразование энер­гии. Индуктивно-емкостные машины появи­лись лишь в последние годы. Преобразова­ние энергии в них происходит в электромаг­нитном поле, и они объединяют свойства индуктивных и емкостных электрических ма­шин.

Для того чтобы электрическая машина работала, в ней должно быть создано вра­щающееся магнитное поле. Принцип образо­вания вращающегося поля у всех машин один и тот же.

Простейшей электрической машиной является идеальная обобщенная электрическая машина (см. рисунок 3.1), т. е. машина сим­метричная, ненасыщенная, имеющая гладкий воздушный зазор. На статоре и роторе такой машины расположены по две обмотки: W^s_α и W^s_β на статоре, W^r_α и W^r_β на роторе, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на электрический угол, равный 90°. Если к об­моткам статора или ротора такой машины подвести токи, сдвинутые во времени на электрический угол 90°, то в воздушном за­зоре машины будет вращающееся круговое поле. При симметричном синусоидальном напряжении поле будет синусоидальное, так как идеальная машина не вносит в зазор пространственных гармоник. Все реальные электрические машины в той или иной сте­пени отличаются от идеальной машины, так как в воздушном зазоре реальной машины нельзя получить синусоидальное поле.

Для того чтобы МДС, необходимая для создания магнитного поля, не была чрез­мерно велика, статор и ротор электрической машины выполняют из ферромагнитного материала, магнитная проводимость которо­го во много раз больше, чем проводимость неферромагнитной среды (μ_ст » μ_о).

Рисунок 3.1 - Обобщенная электрическая машина

При этом магнитные силовые линии поля замы­каются по магнитопроводу машины и прак­тически не выходят за пределы ее активных частей. Участки магнитопровода, в которых поток переменный, для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис выполняют шихтованными из тонких листов электротех­нической стали. Участки магнитопровода машин, в которых поток постоянный (напри­мер, полюсы и станины машин постоянного тока), могут быть выполнены массивными из конструкционной стали.

Непременным условием преобразования энергии является изменение потокосцепления обмоток в зависимости от взаимного поло­жения ее частей — статора и ротора. Это условие может быть выполнено при раз­личных вариантах конструктивных форм магнитопровода и при различных конструк­циях и расположении обмоток (см. рисунок 3.2, а - г). Тот или иной вариант выбирается в зависи­мости от рода питающего (или генерируе­мого) тока, наиболее удобного способа соз­дания поля и типа машины. Для преобразо­вания энергии в подавляющем большинстве электрических машин' используется враща­тельное движение.

Электрические машины обычно выпол­няются с одной вращающейся частью - ци­линдрическим ротором и неподвижной частью - статором. Такие машины назы­ваются одномерными. Они имеют одну степень свободы. Почти все выпускаемые промышленностью машины - одномерные с цилиндрическим вращающимся ротором и внешним неподвижным статором.

Электромагнитный момент в электриче­ских машинах приложен и к ротору, и к ста­тору. Если дать возможность вращаться обеим частям машины, они будут переме­щаться в противоположные стороны. У ма­шин, в которых вращаются и ротор, и статор, две степени свободы. Это двух­мерные машины. В навигационных прибо­рах ротором может быть шар, который вращается относительно двух статоров, расположенных под углом 90^о. Такие машины имеют три степени свободы. В космической электромеханике встречаются шестимерные электромеханические системы, в которых и ротор, и статор имеют по три степени свободы.

Электрические машины помимо враща­тельного могут иметь и возвратно-поступа­тельное движение (линейные машины). В та­ких машинах статор и ротор разомкнуты и магнитное поле отражается от краев, что приводит к искажению поля в воздушном за­зоре. Краевой эффект в линейных электриче­ских машинах ухудшает их энергетические показатели. Низкие энергетические пока­затели ограничивают применение электри­ческих машин с возвратно-поступательным движением. Из обычной машины с цилинд­рическим статором и ротором получаются машины с сегментным статором и линейные (см. рисунок 3.3). Если увеличить диаметр ротора сегментной машины до бесконечности, полу­чим линейный двигатель (см. рисунок 3.3,а). Ли­нейные двигатели постоянного и переменно­го тока находят применение в промышлен­ности для получения линейных перемещений. В генераторном режиме линейные машины практически не применяются.

В большинстве типов электрических ма­шин магнитное поле создается переменными токами обмоток статора и ротора. Однако существует класс машин, в которых поле создается постоянными токами обмоток, расположенных только на статоре. Преобра­зование энергии в них происходит за счет изменения магнитного потока в воздушном зазоре из-за изменения его проводимости при вращении ротора.

Рисунок 3.2 - Основные конструктивные исполнения электрических машин:

а - асинхронная; б — синхронная; в — коллекторная; г — индукторная

Рисунок 3.3 - Модификация конструктивного ис­полнения электрических машин:

а — машина с сегментным статором;

Ротор в таких ма­шинах имеет ярко выраженные зубцы, перемещение которых относительно статора вызывает изменение магнитного сопротивле­ния на участках зазора и потокосцепления обмотки статора. Такие машины называют параметрическими или индуктор­ными. Конструктивные исполнения индук­торных машин весьма разнообразны. Наи­большее распространение получила кон­струкция индукторной машины с двумя роторами 1 и статорами 2 (см. рисунок 3.4). Если роторы сдвинуты относительно друг друга на электрический угол 90°, общее магнитное сопротивление машины во время вращения роторов не изменяется и в обмотке возбуж­дения 3, питающейся постоянным током, не наводится переменная составляющая напря­жения. Обмотки на роторах отсутствуют. При работе машины с обмоток переменного тока 4, расположенных в пазах каждого ста­тора, снимается напряжение. Поток возбуж­дения замыкается по корпусу статора и втулке ротора 5, насаженной на вал.

В зависимости от рода потребляемого или отдаваемого в сеть тока электрические машины подразделяются на машины пе­ременного и постоянного тока. Машины переменного тока делятся на син­хронные, асинхронные и коллекторные.

В синхронных машинах поле воз­буждения создается обмоткой, расположенной на роторе, которая питается постоянным током. Обмотка статора соединена с сетью переменного тока. В обычном исполнении машин вращающийся ротор с обмоткой воз­буждения располагается внутри статора, а статор неподвижен. Обращенная конструк­ция, при которой ротор с обмоткой возбуж­дения неподвижен, а вращается статор, в синхронных машинах встречается редко из-за сложности подвода тока к вращаю­щейся обмотке переменного тока.

Ротор синхронной машины может быть явнополюсным, т. е. с явно выраженными полюсами, имеющими ферромагнитные сер­дечники с насаженными на них многовитковыми катушками возбуждения. Роторы синхронных машин, рассчитанных на частоту вращения 1500 и 3000 об/мин и выше, обыч­но выполняются неявнополюсными. При этом обмотка возбуждения укладывается в профрезерованные в роторе пазы. Обмотка переменного тока синхронных машин, как правило, распределенная, т. е. расположена равномерно по окружности внутреннего диа­метра статора в пазах его магнитопровода.

В асинхронных машинах специаль­ная обмотка возбуждения отсутствует, рабо­чий поток создается реактивной составляю­щей тока обмотки статора. Этим объясняет­ся простота конструкции и обслуживания асинхронных двигателей, так как отсут­ствуют скользящие контакты для подвода тока к вращающейся обмотке возбуждения и отпадает необходимость в дополнитель­ном источнике постоянного тока для воз­буждения машины. Обмотки статоров и ро­торов асинхронных машин распределенные и размещены в пазах их магнитопроводов.

На роторах асинхронных машин распо­лагается либо фазная, т. е. имеющая обычно столько же фаз, сколько и обмотка статора, изолированная от корпуса обмотка, либо короткозамкнутая. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из расположенных в пазах ротора замкнутых между собой по обоим торцам ротора неизолированных стержней из проводникового материала.

Рисунок 3.4 - Индукторная машина с двумя роторами

Она может быть также выполнена заливкой пазов алю­минием. В зависимости от типа обмотки ротора различают асинхронные двигатели с фазными роторами или асинхронные дви­гатели с короткозамкнутыми роторами.

Нормальное исполнение асинхронных машин — с ротором, расположенным внутри статора. Однако для некоторых приводов, например привода транспортера, оказывает­ся выгоднее расположить вращающийся ро­тор снаружи статора. Такие машины назы­вают обращенными или машинами с внеш­ним ротором. Они выполняются обычно с короткозамкнутыми роторами.

Среди коллекторных машин пе­ременного тока получили распространение в основном однофазные двигатели малой мощности. Они находят применение в при­водах, к которым подвод трехфазного или постоянного тока затруднен или нецелесо­образен (в электрифицированном инстру­менте, бытовой технике и т. п.). В машинах средней и тем более большой мощности кол­лекторные машины переменного тока в настоящее время в СССР не применяются. Исключение составляют отдельные спе­циальные машины, например машины типа двигателя Шраге — Рихтера.

Большинство машин постоянного тока — это коллекторные машины. Они вы­пускаются мощностью от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Обмотки воз­буждения машин постоянного тока распола­гаются на главных полюсах, закрепленных на станине. Выводы секций обмотки ротора (якоря) впаяны в пластины коллектора. Кол­лектор, вращающийся на одном валу с яко­рем, и неподвижный щеточный аппарат слу­жат для преобразования постоянного тока сети в переменный ток якоря (в двигателях) или переменного многофазного тока якоря в постоянный ток сети (в генераторах по­стоянного тока).

Конструкция машин постоянного тока более сложная, стоимость выше и эксплуа­тация более дорогая, чем асинхронных, по­этому двигатели постоянного тока приме­няются в приводах, требующих широкого и плавного регулирования частоты враще­ния, или в автономных установках при пита­нии двигателей от аккумуляторных батарей.

Подавляющее число машин постоянного тока выполняется с коллектором — механи­ческим преобразователем частоты. Но суще­ствует несколько типов и бесколлекторных машин, например униполярные генераторы (см. рисунок 3.5), которые используются для получе­ния больших токов (до 100 кА) при низких напряжениях.

Рисунок 3.5 - Униполярная электрическая машина

В таких машинах коллектор отсутствует, но они могут работать только при наличии скользящего контакта, который состоит из щеток 1 и колец 2. Постоян­ный магнитный поток, созданный токами обмотки возбуждения 5, замыкается по ста­нине 3, массивному ротору 4 и двум зазо­рам. Постоянные токи наводятся в массив­ном роторе и снимаются щетками. Чтобы уменьшить электрические потери в роторе, в нем делают пазы, в которые укладывают медные стержни б. Стержни, приваренные к контактным кольцам, образуют на роторе короткозамкнутую обмотку.

В последние годы получили распростра­нение также бесколлекторные машины по­стоянного тока с вентильным управлением, в которых механический преобразователь ча­стоты заменен преобразователем частоты на полупроводниковых элементах.

Несмотря на большое число различных типов электрических машин и независимо от их конструктивного исполнения, рода и числа фаз питающего тока и способов созда­ния магнитных полей преобразование энер­гии в машинах происходит только при сле­дующем условии: во всех электрических машинах в установившихся режимах поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга. Поле ротора, которое создается токами, протекающими в обмотке ротора, вращается относительно ротора. При этом механическая частота вращения ротора и частота вращения поля относительно ро­тора в сумме равны частоте вращения поля статора, поэтому частоты токов в статоре и роторе жестко связаны соотношением

f₂=f₁s

где f_2, f₁ — частоты тока и напряжения ста­тора и ротора; s - относительная частота вращения ротора или скольжение, определяе­мое частотой вращения поля статора n₁ и частотой вращения ротора машины п₂:

s=(n₁ ± n₂) / n₁

n =n₁, т. е. ротор синхронной машины вращается синхронно с полем, соз­данным токами обмотки статора.

Жесткая связь частоты тока и частоты вращения определила область применения синхронных машин. Синхронные генераторы являются практически единственными мощ­ными генераторами электрической энергии на электростанциях. Синхронные двигатели с учетом трудностей их пуска применяются как приводы промышленных установок, дли­тельно работающих при постоянной частоте вращения и не требующих частых пусков, на­пример как приводные двигатели воздуходу­вок, компрессоров.

В асинхронных машинах ток в обмотке ротора обусловлен ЭДС, наведенной в про­водниках обмотки магнитным полем ста­тора.

Наведение ЭДС происходит только при пересечении проводниками магнитных силовых линий поля, что возможно лишь при неравенстве частот вращения ротора и поля статора (п₂ ≠n₁). Частота тока в роторе равна f₂=f₁ s, что обеспечивает взаимную неподвижность поля токов ротора и поля статора, а частота вращения ротора при этом равна n₂ =n_l (1 — s). При скольжении s = 1 ротор неподвижен (f₂ = f₁), преобразо­вания механической энергии не происходит и имеет место трансформаторный режим ра­боты машины.

При питании обмотки ротора постоян­ным током машина переходит в синхрон­ный режим работы. При питании ротора переменным током асинхронный двигатель может вращаться с частотой большей, чем частота поля статора. Такие режимы исполь­зуются редко из-за сложности пуска ма­шины: необходим разгонный двигатель либо преобразователь частоты. В машинах постоянного тока поле воз­буждения создается постоянным током, а поле якоря — переменным. Преобразование постоянного тока сети в многофазный пере­менный ток якоря происходит с помощью механического преобразователя — коллекто­ра. Частота переменного тока якоря опреде­ляется частотой его вращения, и магнитное поле, создаваемое током якоря, неподвижно относительно поля возбуждения машины.

Дата добавления: 2014-12-07