Maiņstrāvas elektriskās mašīnas

Elektriskās mašīnas tiek izmantotas, lai pārveidotu mehānisko enerģiju elektroenerģijā (maiņstrāvas un līdzstrāvas ģeneratori) un otrādi (elektromotori).

Visos šajos gadījumos būtībā tiek izmantoti trīs galvenie atklājumi elektromagnētisma jomā: strāvu mehāniskās mijiedarbības fenomens, ko Ampers atklāja 1821. gadā, elektromagnētiskās indukcijas fenomens, ko Faradejs atklāja 1831. gadā, un šo parādību teorētiskais kopsavilkums, ko veica Ampere. Lencs (1834) savā labi zināmajā inducētās strāvas virziena likumā (faktiski Lenca likums paredzēja elektromagnētisko procesu enerģijas nezūdamības likumu).

Lai mehānisko enerģiju pārvērstu elektriskajā enerģijā vai otrādi, ir jārada relatīva vadošas ķēdes kustība ar strāvu un magnētisko lauku (magnētu vai strāvu).

Elektriskās mašīnās, kas paredzētas nepārtrauktai darbībai, tiek izmantota mašīnas kustīgās daļas (maiņstrāvas mašīnas rotora), kas atrodas stacionārās daļas (statora) iekšpusē, rotācijas kustība.Mašīnas spoli, kas kalpo magnētiskā lauka radīšanai, sauc par induktors, un spoli, kas plūst apkārt ar darba strāvu, sauc par armatūru. Abi šie pēdējie termini tiek izmantoti arī līdzstrāvas iekārtām.

Lai palielinātu magnētisko indukciju, mašīnu tinumi tiek novietoti uz feromagnētiskiem korpusiem (tērauds, čuguns).

Visām elektriskajām mašīnām ir atgriezeniskuma īpašība, tas ir, tās var izmantot gan kā elektroenerģijas ģeneratorus, gan kā elektromotorus.

Asinhronie motori

Tiek izmantoti asinhronie motori viena no elektromagnētiskās indukcijas izpausmēm… Fizikas kursos tas tiek demonstrēts šādi:

Zem vara diska, kas var griezties ap vertikālu asi, kas iet caur tā centru, ir novietots vertikāls pakava magnēts, kas tiek darbināts, lai grieztos ap to pašu asi (mehāniskā mijiedarbība starp disku un magnētu ir izslēgta). Šajā gadījumā disks sāk griezties tajā pašā virzienā kā magnēts, bet ar mazāku ātrumu. Ja palielina diska mehānisko slodzi (piemēram, palielinot ass berzi pret vilces gultni), tā griešanās ātrums samazinās.

Šīs parādības fizikālā nozīme ir viegli izskaidrojama ar elektromagnētiskās indukcijas teoriju: magnētam griežoties, rodas rotējošs magnētiskais lauks, kas diskā izraisa virpuļstrāvas, kuru lielums ir atkarīgs, ja citi apstākļi ir vienādi, no lauka un diska relatīvais ātrums.

Saskaņā ar Lenca likumu diskam jāgriežas lauka virzienā. Ja nav berzes, diskam jāiegūst leņķiskais ātrums, kas vienāds ar magnēta ātrumu, pēc kura inducētā emf pazudīs. Reālajā dzīvē neizbēgami ir berze un disks kļūst lēnāks.Tās lielums ir atkarīgs no diska mehāniskā bremzēšanas momenta.

Diska (rotora) griešanās ātruma un magnētiskā lauka griešanās ātruma neatbilstība atspoguļojas motoru nosaukumos.

Asinhrono motoru darbības princips:

Tehniskajos asinhronajos motoros (visbiežāk trīsfāzu) tiek izveidots rotējošs magnētiskais lauks daudzfāzu strāvaplūst ap stacionāro statora tinumu. Ar frekvenci trīsfāzu strāva ir un statora spoļu skaits 3p rotējošais lauks padara n = f / p apgriezienus / sek.

Statora dobumā atrodas rotējams rotors. Pie tā vārpstas var pieslēgt rotējošu mehānismu.Vienkāršākajos "vāveres šūnu" motoros rotors sastāv no tērauda cilindriska korpusa rievās ievietotu garenvirziena metāla stieņu sistēmas. Vadi ir īssavienoti ar diviem gredzeniem. Lai palielinātu griezes momentu, rotora rādiuss ir pietiekami liels.

Citās motoru konstrukcijās (parasti lieljaudas motoros) rotora vadi veido atvērtu trīsfāzu tinumu. Spoļu gali ir īssavienoti pašā rotorā, un vadi tiek izvadīti uz trim slīdgredzeniem, kas uzstādīti uz rotora vārpstas un izolēti no tā.

Ar bīdāmiem kontaktiem (birstes) šiem gredzeniem ir pievienots trīsfāzu reostats, kas kalpo motora iedarbināšanai kustībā. Pēc motora pagriešanas reostats tiek pilnībā noņemts un rotors kļūst par vāveres būru (sk. Asinhronie motori ar uztītu rotoru).

Uz statora korpusa ir spaiļu plate. Uz tiem tiek izvadīti statora tinumi. Tos var iekļaut zvaigzne vai trīsstūris, atkarībā no tīkla sprieguma: pirmajā gadījumā tīkla spriegums var būt 1,73 reizes lielāks nekā otrajā.

Vērtību, kas raksturo rotora relatīvo palēninājumu salīdzinājumā ar asinhronā motora statora lauku sauc paslīdot… Tas mainās no 100% (motora iedarbināšanas brīdī) uz nulli (ideāls bezzudumu rotora kustības gadījums).

Asinhronā motora griešanās virziena maiņa tiek panākta, savstarpēji pārslēdzot katrus divus motoru apgādājošā elektrotīkla lineāros vadītājus.

Vāveres sprostu motori tiek plaši izmantoti rūpniecībā. Asinhrono motoru priekšrocības ir dizaina vienkāršība un bīdāmo kontaktu neesamība.

Vēl nesen galvenais šādu motoru trūkums bija apgriezienu regulēšanas grūtības, jo, ja šim nolūkam tiek mainīts statora ķēdes spriegums, tad griezes moments strauji mainās, bet tehniski bija grūti mainīt barošanas strāvas frekvenci. Mūsdienu mikroprocesoru ierīces tagad plaši izmanto, lai kontrolētu barošanas strāvas frekvenci, lai mainītu motoru ātrumu. frekvences pārveidotāji.

Ģeneratori

Ģeneratori ir būvēti ievērojamai jaudai un augstam spriegumam. Tāpat kā asinhronajām mašīnām, tām ir divi tinumi. Parasti armatūras tinums atrodas statora korpusā. Induktori, kas rada primāro magnētisko plūsmu, ir uzstādīti uz rotora un tiek darbināti ar ierosinātāju - nelielu līdzstrāvas ģeneratoru, kas uzstādīts uz rotora vārpstas. Lieljaudas mašīnās ierosmi dažkārt rada rektificēts maiņspriegums.

Armatūras tinuma nekustīguma dēļ pazūd tehniskās grūtības, kas saistītas ar bīdāmo kontaktu izmantošanu pie lielas jaudas.

Zemāk redzamajā attēlā parādīta vienfāzes ģeneratora shēma. Tās rotoram ir astoņi stabi. Uz tām ir uztītas spoles (nav parādītas attēlā), ko baro no ārēja avota ar līdzstrāvu, kas tiek pievadīta uz rotora vārpstas slīdgredzeniem. Polu spoles ir uztītas tā, lai stabu zīmes, kas vērstas pret statoru, mijas. Stabu skaitam jābūt vienmērīgam.

Armatūras tinums atrodas statora korpusā. Tās garie darba «aktīvie» vadi, kas ir perpendikulāri zīmējuma plaknei, attēlā parādīti ar apļiem, tos šķērso magnētiskās indukcijas līnijas, rotoram griežoties.

Apļi parāda inducēto elektrisko lauku virzienu momentāno sadalījumu. Savienojošie vadi, kas iet gar statora priekšējo pusi, ir parādīti ar nepārtrauktām līnijām, bet aizmugurē - ar pārtrauktām līnijām. K skavas tiek izmantotas, lai savienotu ārējo ķēdi ar statora tinumu. Rotora griešanās virziens ir norādīts ar bultiņu.

Ja jūs garīgi sagriežat mašīnu pa rādiusu, kas iet starp skavām K, un pagriežat to plaknē, tad statora tinuma un rotora polu (sānu un plāna) relatīvais stāvoklis tiks attēlots ar shematisku zīmējumu:

Ņemot vērā attēlu, mēs pārliecināmies, ka visi aktīvie vadi (iet cauri induktora poliem) ir savienoti viens ar otru virknē un tajos inducētais EMF tiek summēts. Visu EML fāzes acīmredzami ir vienādas.Vienas pilnas rotora rotācijas laikā katrā no vadiem (un līdz ar to arī ārējā ķēdē) tiks iegūti četri pilni strāvas maiņas periodi.

Ja elektromašīnai ir p stabu pāri un rotors griežas, veicot n apgriezienus sekundē, tad mašīnas saņemtās maiņstrāvas frekvence ir f = pn hz.

Tā kā EML frekvencei tīklā jābūt nemainīgai, rotoru griešanās ātrumam jābūt nemainīgam. Lai iegūtu tehniskās frekvences (50 Hz) EMF, var izmantot salīdzinoši lēnu rotāciju, ja ir pietiekami liels rotora polu skaits.

Lai iegūtu trīsfāzu strāvu, statora korpusā ievieto trīs atsevišķus tinumus. Katrs no tiem ir nobīdīts attiecībā pret pārējiem diviem par trešdaļu no loka attāluma starp blakus esošajiem (pretējiem) induktoru poliem.

Ir viegli pārbaudīt, vai, induktoriem griežoties, spoles tiek inducēti EML, kas fāzē (laikā) ir nobīdītas par 120 °. Spoļu galus noņem no iekārtas un var savienot zvaigznītē vai trīsstūrī.

Ģeneratorā lauka un vadītāja relatīvo ātrumu nosaka rotora diametrs, rotora apgriezienu skaits sekundē un polu pāru skaits.

Ja ģeneratoru darbina ūdens strāva (hidroģenerators), to parasti izgatavo ar lēniem apgriezieniem. Lai iegūtu vēlamo strāvas frekvenci, nepieciešams palielināt polu skaitu, kas savukārt prasa palielināt rotora diametru.

Vairāku tehnisku iemeslu dēļ jaudīgi ūdeņraža ģeneratori tiem parasti ir vertikāla vārpsta un tie atrodas virs hidrauliskās turbīnas, kas liek tiem griezties.

Ar tvaika turbīnu darbināmi ģeneratori — turbīnu ģeneratori parasti darbojas ar lielu ātrumu. Lai samazinātu mehāniskos spēkus, tiem ir mazs diametrs un attiecīgi mazs stabu skaits.Vairāki tehniski apsvērumi prasa ražot turbīnu ģeneratorus ar horizontālu vārpstu.

Ja ģeneratoru darbina iekšdedzes dzinējs, to sauc par dīzeļģeneratoru, jo dīzeļdzinēji parasti tiek izmantoti kā dzinēji, kas patērē lētāku degvielu.

Ģeneratora reversibilitāte, sinhronie motori

Ja ģeneratora statora tinumam no ārēja avota tiek pielikts maiņspriegums, tad notiks induktora polu mijiedarbība ar statorā ģenerētās strāvas magnētisko lauku, un darbosies griezes momenti no tā paša virziena. uz visiem stabiem.

Ja rotors griežas ar tādu ātrumu, ka īsi pēc puses maiņstrāvas perioda nākamais induktora pols (pret zīmi pirmajam polam) iederas zem attiecīgā statora tinuma stieples, tad zīme mijiedarbības spēks starp to un strāvu, kas ir mainījusi virzienu, paliks nemainīgs.

Šādos apstākļos rotors, būdams nepārtrauktā griezes momenta ietekmē, turpinās kustēties un spēs darbināt jebkuru mehānismu. Rotora kustības pretestības pārvarēšana notiks tīkla patērētās enerģijas dēļ un ģenerators kļūs par elektromotoru.

Tomēr jāņem vērā, ka nepārtraukta kustība ir iespējama tikai ar stingri noteiktu griešanās ātrumu, jo novirzes no tā gadījumā paātrinājuma moments daļēji iedarbosies uz katru no rotora poliem, pārvietojoties starp diviem rotora vadītājiem. stators, daļu laika - apstāšanās .

Tātad stingri jānosaka motora griešanās ātrums, — laikam, kurā pols tiek nomainīts pret nākamo, jāsakrīt ar strāvas pusperiodu, tāpēc šādus motorus sauc. sinhroni.

Ja statora tinumam ar stacionāru rotoru tiek pielikts maiņspriegums, tad, lai gan strāvas pirmajā pusciklā visi rotora stabi piedzīvo vienas un tās pašas zīmes griezes momentu darbību, tomēr inerces dēļ rotoram nebūs laika kustēties. Nākamajā pusciklā visu rotora polu griezes momentu zīme mainīsies uz pretējo.

Tā rezultātā rotors vibrēs, bet nevarēs griezties. Tāpēc sinhronais motors vispirms ir jāuztver, tas ir, jāsamazina līdz normālam apgriezienu skaitam, un tikai pēc tam jāieslēdz strāva statora tinumā.

Sinhrono motoru izstrāde tiek veikta ar mehāniskām metodēm (ar zemu jaudu) un īpašām elektriskām ierīcēm (ar lielām jaudām).

Mazām slodzes izmaiņām motora ātrums automātiski mainīsies, lai pielāgotos jaunajai slodzei. Tātad, palielinoties slodzei uz motora vārpstu, rotors nekavējoties palēninās. Tāpēc mainās fāzes nobīde starp līnijas spriegumu un pretējo inducēto EMF, ko induktors inducē statora tinumā.

Turklāt armatūras reakcija rada induktoru demagnetizāciju, tāpēc palielinās statora strāva, induktori piedzīvo palielinātu griezes momentu, un motors atkal sāk sinhroni griezties, pārvarot palielināto slodzi. Līdzīgs process notiek ar slodzes samazināšanu.

Pie krasām slodzes svārstībām šī motora pielāgošanās spēja var būt nepietiekama, tā ātrums būtiski mainīsies, tas "izkritīs no sinhronisma" un galu galā apstāsies, kamēr statorā inducētais indukcijas EMF pazūd, un tajā palielinās strāva. asi. Tāpēc ir jāizvairās no krasām slodzes svārstībām. Lai apturētu motoru, acīmredzot vispirms ir jāatvieno statora ķēde un pēc tam jāatvieno droseles; iedarbinot dzinēju, jāievēro apgrieztā darbību secība.

Sinhronie motori visbiežāk tiek izmantoti, lai vadītu mehānismus, kas darbojas ar nemainīgu ātrumu. Šeit ir norādītas sinhrono motoru priekšrocības un trūkumi, kā arī to palaišanas metodes: Sinhronie motori un to pielietojumi

Mācību filmu lente - "Sinhronie motori", ko veidojusi izglītības-vizuālo līdzekļu rūpnīca 1966. gadā. To var noskatīties šeit: Filmas lente «Sinhronais motors»