Курс лекций по дисциплине мдк 01. 01Электрические машины и аппараты Часть 1 Поурочное планирование Тема Общая теория электрических машин Занятие 1 Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах

• Название: Курс лекций по дисциплине мдк 01. 01Электрические машины и аппараты Часть 1 Поурочное планирование Тема Общая теория электрических машин Занятие 1 Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах
• Дата: 24.02.2022
• Размер: 6.3 Mb.
• Имя файла: uchebnye_rekomenlatsii_po_eletricheskim_mashinam.doc
• Тип: Курс лекций; #371953
• страница: 5 из 9

Тема 6. Общие вопросы теории машин переменного тока
Занятие 31. Основные типы машин переменного тока

31.1. Общие определения
Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую для

приведения в действие станков , кранов ,насосов, вентиляторов, компрессоров и т.п.
Электрический генератор превращает механическую энергию в электрическую с последующей передачей ее по проводам или кабелю до потребителя.
Электрические машины различают :

- по назначению ( двигатели , генераторы, преобразователи и т.д.)

- по роду тока (ЭМ постоянного и переменного тока. )

- по величине напряжения ;

- по мощности ;

- по числу оборотов ;

- по конструктивному исполнению;

- по способу защиты от воздействий окружающей среды ;
Наибольшее распространение в промышленности из двигателей переменного тока получили асинхронные трехфазные двигатели, которые отличаются высокой надежностью и простотой конструкции.



Рис.31.1. Асинхронный трехфазный двигатель

Для приведения в действие механизмов большой массы и мощности используют синхронные электродвигатели напряжением 3...6 кВ.

Рис.31.2. Синхронный двигатель переменного тока.

По конструктивному исполнению электродвигатели должны быть приспособлены к условиям внешней среды , в которой им предстоит работать. В помещениях с нормальной средой можно применять электродвигатели открытого исполнения.

Для работы в помещениях с токопроводящей пылью служат пыленепроницаемые, а во взрывоопасных средах - взрывозащищенные электродвигатели.


31.2. Двигатель Арго – прототип современного асинхронного двигателя.
Асинхронные машины относятся к классу индуктивных элек­трических машин, действие которых основано на явле­нии электромагнитной ин­дукции.

Для лучшего понимания принципов, на которых основана работа асинхрон­ного электродвигателя, рас­смотрим известный опыт Араго (рис. 31.4.).

Рис.31.3. Опыт Арго

В этом опыте некоторый постоянный магнит Д с по­люсами N—S приводится во вращение механически с по­мощью рукоятки Р. На небольшом расстоянии от полюсов магнита устанавливается легкий медный диск на оси, ко­торая может вращаться в подшипниках.

При вращении ру­коятки и соответственно закрепленного с нею магнита в медном диске наводятся токи и создают магнитное поле диска, которое, взаимодействуя с магнитным полем N — S, обеспечивает появление враща­ющего момента. Под влиянием этого момента диск также увлекается в сторону вращения магнита. Таким образом, диск Арго является прототипом современного асинхрон­ного двигателя.

Таким образом, электрическая машина должна содер­жать две основные части:

• 
  часть, создающую магнитное поле,
  
• 
  часть, содержащую совокупность проводников, расположенных в этом поле.
  

Занятие 32 . Создание вращающегося магнитного поля
32.1. Принцип трехфазной цепи

Асинхронные двигатели, как правило, питаются трехфазным переменным током. Трехфазная цепь перемен­ного тока состоит из трех однофазных цепей. В этих цепях токи или напряжения изменяются по тому же периодиче­скому синусоидальному закону с той же частотой, но с некоторым сдвигом (отставанием) во времени.

Величина отставания тока во второй фазе по сравнению с током в первой фазе составляет 1/3 периода времени Т,или 120°. Ток в третьей фазе также отстает от тока во второй фазе на 1/3 периода.


Рис. 32.1. Графики токов в трехфазной сети.



Рис.32.2. Присоединение статорных обмоток асинхронного двигателя к трехфазной сети.



На неподвижной части простейшего асинхронного двигателя расположены три обмотки, сдвинутые в пространстве на 120°. Каждая обмотка имеет начало (Ан, Вн, Сн) и конец (Ак, Вк, Ск)



Рис.32.3. Условное расположение обмоток на статоре

Начертим рисунок 32.4. , состоящий из двух картинок, слева графики токов в каждой из фаз, справа - условное расположение обмоток ( как на рисунке 32.3)
32.2. Создание вращающегося магнитного поля в статоре двигателя.

Для понимания процесса создания вращающегося магнитного поля зададимся следующими условиями:

1. 
   Полярности токов, указанные на диаграммах (см.рис.31.4.) показаны для начал обмоток.
   
2. 
   Если ток положителен на диаграмме, то на начале обмотки ставим точку ( ток течет к нам)
   
3. 
   Если ток отрицателен на диаграмме, то на начале обмотки ставим крестик ( ток течет от нас)
   
4. 
   Если ток течет к нам, то магнитные линии направлены против часовой стрелки (правило буравчика)
   
5. 
   Если ток течет от нас, то магнитные линии направлены по часовой стрелке (правило буравчика)
   

Отметим на графиках токов произвольно моменты времени t_1, t_2, t_3, t_4.

Выполним следующие построения:

Для времени t₁: На графиках токов ток i_A имеет положительное значение,

токи i_В иi_С – отрицательны. Поэтому, на рисунке для времени t₁ начало обмотки Ан обозначаем точкой, начала обмоток Вн и Сн – крестиками. Тогда конец обмотки Ак обозначится крестиком, а концы обмоток Вк и Ск - точками.
Для времени t₂: На графиках токов ток i_В имеет положительное значение,

токи i_А иi_С – отрицательны. Поэтому, на рисунке для времени t₂ начало обмотки Вн обозначаем точкой, начала обмоток Ан и Сн – крестиками. Тогда конец обмотки Вк обозначится крестиком, а концы обмоток Ак и Ск - точками.
Для времени t₃: На графиках токов ток i_С имеет положительное значение,

токи i_А иi_В – отрицательны. Поэтому, на рисунке для времени t₃ начало обмотки Сн обозначаем точкой, начала обмоток Ан и Вн – крестиками. Тогда конец обмотки Ск обозначится крестиком, а концы обмоток Ак и Вк - точками.

Для времени t₄: На графиках токов ток i_A имеет положительное значение,

токи i_В иi_С – отрицательны. Поэтому, на рисунке для времени t₄ начало обмотки Ан обозначаем точкой, начала обмоток Вн и Сн – крестиками. Тогда конец обмотки Ак обозначится крестиком, а концы обмоток Вк и Ск - точками.

Обводим магнитной линией клеммы обмоток, имеющие одинаковое обозначение (точка) или (крестик), учитывая направления магнитных линий в соответствии с условиями 4 и 5.

Направление этих силовых линий бу­дет аналогично направлению силовых линии поля, созда­ваемого с помощью постоянного магнита, условно обозна­ченного на этом рисунке пунктиром.

Сравним картины магнитного поля для различных времен. При сравнении видно, что за пе­риод изменения времени Тсоздаваемое трехфазным током магнитное поле поворачивается в пространстве на целый оборот, т е. на 360°.

Такое магнитное поле называется вращающимся.


Рис.32.4. Создание вращающегося магнитного поля в неподвижном статоре асинхронного двигателя.
Если изменить чередование каких-либо двух фаз (рис. 31.5), то произойдет изменение направления вращения магнитного поля на противоположное.

Это свой­ство обычно используется при необходимости изменения направления вращения асинхронного электродвигателя, т. е. при осуществлении так называемого реверса двигателя.

В асинхронном электродви­гателе имеются две основные части

• 
  вращающийся ротор
  
• 
  неподвижный статор.
  

Занятие 33. Устройство трехфазного асинхрон­ного двигателя
Асинхронный электродвигатель переменного тока состоит из двух основных частей:

- неподвижной части - статора;

- подвижной части- ротора;

Подвижный ротор сопрягается с неподвижным статором с помощью подшипников, установленных в подшипниковые щиты.
Устройство асинхронного двигателя представлено на рисунке 33.1:
На рисунке обозначены:

1 – передний подшипниковый щит

2 – выходной конец вала

3 – уплотнение подшипника

4 – шарикоподшипник

5 – лопатки вентилятора ротора

6 – короткозамыкающее кольцо

7 – болт

8 – станина

9 – рым-болт

10 – сердечник статора

11 – сердечник ротора

12 – обмотка статора

13 – винт крепления кожуха вентилятора

14 – кожух вентилятора

15 – задний подшипниковый щит

16 – вентилятор

17 – стопорное кольцо

18 – стопорный винт вентилятора



Рис.33.1. Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором



Рис.33.2. Основные детали асинхронного двигателя

На рисунке обозначены:

1 – сердечник статора

2 – обмотка статора

3 – станина

4 – сердечник ротора

5 – короткозамыкающее кольцо

6 – вал

7 – передний подшипниковый щит

8 – задний подшипниковый щи
Статор состоит из станины и сердечника с обмоткой.

Станина выполняется из стали, чугуна или алюминиевых сплавов.

Сердечник набирают из штампованных листов электротехнической стали, изолированных между собой бумагой, лаком или слоем окиси. Изоляция необходима для ограничения величины вихревых токов и уменьшения нагрева сердечника.

Обмотка статора выполняется из медной изолированной проволоки круглого или

прямоугольного сечения, которая укладывается в пазы сердечника.



Рис. 33.3 Устройство статора

На рисунке обозначены:

1 – обмотка статора

2 – станина

3 – резьбовое отверстие под рым-болт

4 – болты крепления сердечника

5 – сердечник статора

6 – ребра охлаждения

7 – отверстия для анкерных крепежных болтов

8 – болт заземления

9 - лапа
Подшипниковые щиты - представляют собой крышки, закрывающие станину с двух

сторон. В подшипниковые щиты встраиваются подшипники качения или скольжения которые обеспечивают механическую связь между неподвижным статором и подвижным ротором.
Ротор состоит из стального вала, сердечника и обмотки. В зависимости от конструкции роторы бывают:

• 
  ротор короткозамкнутый;
  
• 
  ротор фазный ;
  

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов электротехнической стали и напрессованный на вал. В пазы сердечника заливается расплавленный алюминий , который при застывании образует алюминиевую обмотку, состоящую из стержней замкнутых накоротко алюминиевыми кольцами. Такая обмотка называется " беличье колесо " , а ротор - короткозамкнутым.





Рис.33.4. Короткозамкнутый ротор
На рисунке обозначены:

1 – вал

2 – лопатки вентилятора ротора

3 – короткозамыкающее кольцо

4 – сердечник ротора

5 – шпонка сердечника

6 – стяжная шпилька

7 – шпонка вентилятора двигателя

Фазный ротор .

У фазного ротора в пазы сердечника уложена трехфазная обмотка . Три конца этой

обмотки соединены в общую точку ,а три начала обмоток соединены с контактными кольцами, которые в свою очередь через щеточные скользящие контакты соединяются с пусковыми реостатами. Включение пусковых реостатов в цепь обмотки ротора позволяет значительно уменьшить ток в машине в момент пуска . По мере раскрутки двигателя пусковой ток уменьшается и пусковые реостаты выводятся из цепи обмоток ротора .



Рис.33.5. Фазный ротор

1 — трехфазная обмотка ротора

2 — вал двигателя

3 — контактные кольца

4 — скользящие контакты (щетки)

5— пусковые реостаты

6 - сердечник ротора

7 - подшипник



Рис. 32.6.Запуск фазного ротора в работу.
На рисунке:

1 — трехфазная обмотка ротора

2 — вал двигателя

3 — контактные кольца

4 — скользящие контакты (щетки)

5— пусковые реостаты

6 - сердечник ротора

7 - подшипник
На паспортной табличке, прикрепленной к корпусу двигателя указывают следующие данные двигателя :

• 
  мощность [ кВт ]
  
• 
  напряжение [ В ]
  
• 
  схема соединения обмоток [* или ∆ ]
  
• 
  потребляемый ток [ А ]
  
• 
  число оборотов вала [ об/мин ]
  
• 
  коэффициент мощности cos φ
  
• 
  КПД [ % ]
  
• 
  частота тока;
  

Занятие 34. Принцип действия трехфазного асинхрон­ного двигателя
Наибольшее распространение среди электрических двигателей получили трехфазные асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель состоит из двух принципиально важных частей :

• 
  неподвижной части – статора
  
• 
  подвижной – ротора.
  

На статоре расположена трехфазная обмотка. При подключении обмотки статора к трехфазной сети в ней возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения зависит от числа полюсов обмотки статора и определяется формулой:

(об / мин)
Где: f₁ =50 Гц - частота тока в сети.

p – число пар полюсов обмотки статора.
Таким образом, при одной паре полюсов n₁= 3000 об/мин, при р=2, n₁ = 1500 , при р=3, n₁ = 1000 , при р=4, n₁ = 750 об / мин.
На роторе устанавливается, как правило, короткозамкнутая обмотка изготовленная в виде алюминиевых стержней закороченных с обоих сторон кольцами. Такая обмотка называется "беличьим колесом".

В начальный момент ротор неподвижен, поэтому вращающееся магнитное поле статора с большой скоростью пересекает стержни обмотки ротора, наводя в них большую ЭДС. Так как стержни замкнуты накоротко, то в обмотке ротора возникает большой ток . Этот ток называется пусковым. Его значение обычно превышает значение номинального тока в 7 раз. Если этот ток будет действовать длительно, то это может привести к выходу двигателя из строя. При возникновении тока в обмотке ротора в нем также возникает магнитное поле, которое взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора приводит ротор во вращение.

При увеличении скорости вращения ротора взаимная скорость перемещения полей статора и ротора уменьшается, уменьшается ЭДС и ток в роторе, достигая номинального значения.

Однако, исходя из принципа работы двигателя, скорость вращения ротора никогда не станет равной скорости вращающегося магнитного поля статора, так как при этом пропадает возможность индуктирования ЭДС в обмотке ротора и, соответственно, возникновения магнитного поля ротора. Это противоречит принципу работы двигателя. Двигатель потому и называется асинхронным, потому что скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращающегося магнитного поля статора.

Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением.

Где: n₁ – скорость вращающегося магнитного поля статора.

n₂ – скорость вращения ротора
При пуске s = 1 , при номинальном режиме работы двигателя s= 4 – 6 % .

Занятие 35. Принцип действия и устройство синхронных машин

35.1. Принцип действия синхронной машины.

Синхронная машина состоит из двух основных частей:

• 
  неподвижной - статора
  
• 
  вращающейся – ротора
  

Синхронная машина имеет две основные обмотки.

Одна обмотка подключает­ся к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмот­кой возбуждения.

Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами.

Другая обмотка явля­ется обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из од­ной, двух или трех обмоток фаз. Наибольшее распростра­нение в синхронных машинах нашли трехфазные обмотки якоря.

В синхронных машинах чаще всего находит применение конструкция, при которой, обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения - на роторе (рис.34.1). Синхронные машины небольшой мощности иногда имеют обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагает­ся на роторе, а обмотка возбуждения - на полюсах стато­ра (рис. 34.2). В электромагнитном отношении обе конструкции равноценны.



 Рис. 34.1. Конструктивный вариант синхронной машины, при котором обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе.



 Рис. 34.1. Конструктивный вариант синхронной машины, при котором обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре.

Однако из практических соображений более предпочтительной является первая конструкция, так как в этом случае к скользящим контактам на роторе под­водится мощность возбуждения, составляющая 0,3-3 % номинальной мощности машины.

Во втором варианте сколь­зящие контакты следовало бы рассчитывать на полную мощность машины. Для мощных машин, имеющих относи­тельно высокое напряжение и большие токи, обеспечить удовлетворительную работу таких контактов весьма затруднительно.

В дальнейшем будут рассматриваться синхронные машины, выполненные   по   первому (основному) конструктивному варианту.

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз.

Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, маг­нитные оси которых сдвинуты в пространстве на электри­ческий угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируют­ся ЭДС, образующие трехфазную систему.

Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:

 



Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в опреде­ленной зависимости между собой.

Так, для получения стан­дартной частоты  f₁= 50 Гц при р=1нужно иметь частоту вращения n = 3000 об/мин, а  при р = 24  n = 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генера­тора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля относительно статора 



Заменяя в этой формуле частоту ее значением из предыдущей формулы, полу­чаем

n₁ = n.

Равенство частот вращения ротора пи поля якоря n₁ является характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка якоря присоединяется к трехфазной сети. При этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения n₁. Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы этот момент имел одно и то же направление, поля должны быть непо­движны относительно друг друга. Это имеет место, если ротор и, следовательно, его магнитное поле вращаются с частотой, равной n₁. Поэтому в синхронном двигателе ро­тор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения поля n₁.