Электрические машины

Электрические машины – устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую (генераторы), или преобразующие электрическую энергию в механическую (двигатели).
Двигатели по назначению можно подразделить:
приводные;
исполнительные.
Приводные – приводят в движение те или иные устройства (с возможностью торможения реверса и регулирования частоты вращения).
Исполнительные – поворачивают те или иные устройства с заданной скоростью на заданные углы, т.е. отрабатывают заданный сигнал.
Электрические машины делятся и по питанию:
Электрические машины постоянного тока;
Электрические машины переменного тока.
Принцип действия электрических машин основываются на взаимодействии магнитного поля и проводника с током (у двигателей) и на взаимодействии магнитного поля и вращающегося проводника
(у генераторов).

Принцип действия двигателя и генератора
Иллюстрация возникновения силы Ампера
Рис. 1
Рис. 2
- скорость зарядов в проводнике
- Сила Ампера

Устройство электрических машин
Электрические машины по конструкции состоят:
Статор – неподвижная часть;
Ротор – вращающая часть.
Электрические машины можно разделить по функциональным признакам:
Часть машины, в проводниках которой наводится ЭДС вращения, называют якорем,
Часть машины, создающую магнитное поле, в котором находится якорь, называют возбудителем. На рисунках 1 и 2 (слайд 3) роль якоря играет проводник ab.
Направление силы, действующей на проводник с током определяется правилом левой руки.
Направление ЭДС, возникающего в проводнике определяется правилом правой руки.

Способы создания магнитного поля
Магнитное поле электрической машины создаются:
С помощью постоянных магнитов;
С помощью постоянного тока;
В обоих случаях магнитное поле неподвижно относительно оси статора. Якорь вращается в постоянном магнитном поле.
Магнитное поле машины может иметь одну или несколько пар полюсов (обозначают - p).
Если p>1, то окажется, что окружность вокруг продольной оси машины будет поделена между полюсами на 2р равных частей. Дуга окружности, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением.
Полюса чередуются, поэтому одному периоду изменения магнитной индукции
соответствует 360 электрических градусов, т.е. в окружности машины содержится p· 360
электрических градусов.
Следовательно, 1 геометрический градус = p * электрических градусов!
Пример: число пар полюсов машины p=2 , тогда окружность машины делится на 2 дуги,
Следовательно, 1°=2 электр.°.
3. С помощью переменного тока. Магнитное поле вращается относительно оси статора.
Принцип действия электрических машин основываются на взаимодействии магнитного поля и проводника с током (у двигателей) и на взаимодействии магнитного поля и вращающегося проводника (у генераторов).

Способ создания переменного магнитного поля переменным током
Обмотка
Мгновенные значения тока и созданной магнитной индукции

Появление вращающего магнитного поля трехфазной системы:
,

Магнитное поле перемещается в сторону той фазы, в которой ожидается ближайший максимум, т.е. направление вращения совпадает с чередованием тока в фазах (в нашем случае по часовой стрелке).

Если число пар магнитных полюсов р,
запишем общую формулу для угловой скорости вращения магнитного поля:
В инженерной практике скорость вращения измеряется в оборотах/минуту
поэтому формула скорости принимает вид:
где, f – частота питающей сети
n0 – синхронная частота вращения
Для частоты питающей сети f =50 Гц
n0 =3000 об/мин; 1500 об/мин; 1000 об/мин; 750 об/мин

Ротор и статор электрических машин делятся:
явнополюсные - а) статор, в) ротор
неявнополюсные - б) статор, г) ротор

Машины постоянного тока
(структура и составные части)
1 – обмотка возбуждения;
2 – главные полюсы;
3 – якорь;
4 – обмотка якоря;
5 – щетки;
6 – корпус (станина)

Элементы конструкции машин постоянного тока
1 – станина;
2 – сердечник;
3 – полюсная катушка.
1, 2 – втулки;
4 – коллекторная пластина;
5 – изолятор.
1 – обойма;
2 – щетка;
3 – пружина;
4 - гибкий проводник.

.
Элементы конструкции машин постоянного тока (ротор)
1 – зубец;
2 – паз;
3 – вентиляционное отверстие;
4 – нажимные шайбы (хомуты);
5 – обмотка якоря;
6 – коллектор.

Генератор постоянного тока
Принцип действия
1 - полюса статора;
2 - коллектор;
3 - щётки;
4 - ротор;
5 - обмотка ротора.
Машины постоянного тока делятся:
Генератор постоянного тока; Двигатели постоянного тока

Генератор постоянного тока
Принцип действия
Парой полюсов создаётся основной магнитный поток машины.
Обмотка ротора связана с внешней сетью с помощью коллектора и щёток.
В обмотках ротора создается переменный ЭДС.
Коллекторно-щеточный узел выпрямляет переменный ЭДС.
Величина мгновенного ЭДС определяется В, длиной проводника l и линейной скоростью v.
Так как
и
Сe – называется электрической постоянной машины

Генератор постоянного тока
Схема замещения якорной цепи генератора:
По второму закону Кирхгофа для якорной цепи можно записать уравнение:
Так как в обмотке течёт ток, то возникает сила Ампера Fпр и
момент который направлен навстречу вращения
n
Mэм
Eя – ЭДС якоря генератора;
Rя - сопротивление обмотки якоря;
Iя - ток якоря;
Uя – напряжение на зажимах якоря.

Классификация генераторов постоянного тока
Генераторы постоянного тока классифицируются по способу создания
магнитного потока и соединения обмотки возбуждения и обмотки якоря.
Они бывают двух типов.
С независимым возбуждением:
питание обмотки возбуждения от независимого источника;
с постоянными магнитами.
С самовозбуждением:
параллельным возбуждением;
последовательным возбуждением;
смешанным возбуждением.

Классификация генераторов постоянного тока
а. Генератор с независимым возбуждением;
б. Генератор с параллельным возбуждением;
в. Генератор с последовательным возбуждением;
г. Генератор со смешанным возбуждением;

Внешние характеристики генераторов постоянного тока
Основной характеристикой генераторов является внешняя характеристика
- зависимость напряжения на зажимах от тока нагрузки Uн = f(Iн)

Двигатель постоянного тока
Принцип действия
Парой полюсов (NS) создаётся основной магнитный поток машины.
Обмотка ротора (якоря) связана с внешней сетью с помощью коллектора и щёток.
При вращении ротора в обмотках ротора (якоря) создается переменный ЭДС.
Величина мгновенного ЭДС определяется В, длиной проводника l и линейной скоростью v. Противо-ЭДС направлен навстречу току.
N – число активных проводников, а – число параллельных проводников
Так как в обмотке якоря течёт ток Iя, то его взаимодействие с вектором магнитной индукции B создает силу Ампера Fпр
Созданная пара сил Fпр поворачивает обмотку якоря (ротор) вокруг своей оси.