Электротехника и электроника. Классификация электрических машин

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

По назначению
Генераторы
Преобразование механической энергии в электрическую
Двигатели
Преобразование электрической энергии в механическую
Преобразователи
Преобразование величины напряжения, тока, частоты
Датчики
Преобразование неэлектрического сигнала в
электрический

Датчики
Тахоганераторы - контроль частоты вращения
Индуктосины - контроль линейных перемещений
Резольверы (вращающиеся трансформаторы) - преобразование угла поворота в электрический сигнал

Электротехническое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую и электрической энергии в механическую, а также одной формы электрической энергии в другую, отличающуюся по напряжению, току или частоте.
Электрическая машина -

Электрические машины переменного тока

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Это машины, работа которых основана на образовании в пространстве вращающегося магнитного поля
Синхронные машины – машины переменного тока у которых скорость ротора равна скорости вращающегося магнитного поля статора и зависит от частоты питающего тока
Асинхронные машины – машины переменного тока у которых скорость вращения ротора меньше скорости вращающегося магнитного поля статора и зависит от нагрузки

Первые асинхронные двигатели изобретены М.О. Доливо – Добровольским в 1889-1891 гг. , который использовал теоретические работы ученых Галилео Феррариса и Никола Тесла. Доливо –Добровольский создал сразу три машины переменного тока.
Самый распространённый вид электрических машин – асинхронные двигатели.

Статор – состоит из корпуса,
сердечника и трех обмоток,
концы которых выведены на
клеммную панель сбоку.
Ротор – подвижная часть, состоит из вала, сердечника и обмотки ротора,
которая может быть короткозамкнутой или фазной.
Устройство асинхронного двигателя.

1 - корпус, 2 – обмотка статора, 3 – ротор,
4 – контактные кольца, 5 – щетки.
Асинхронный двигатель с фазным ротором.

Асинхронная машина —
это машина переменного тока,
в которой возбуждается вращающееся магнитное поле.
Ротор вращается асинхронно, т.е. со скоростью, отличающейся от скорости вращения поля.
Асинхронные машины принципиально могут быть генераторами или двигателями. Характеристики асинхронных двигателей очень высоки, и они широко применяются в технике. Асинхронные генераторы практически не используются, так как имеют очень низкие эксплуатационные качества.

Асинхронная машина состоит из статора и ротора.
Статор имеет шихтованный сердечник, в пазах которого расположена трехфазная обмотка. В простейшем случае она состоит из трех катушек, которые сдвинуты одна относительно другой на 120°.
Ротор бывает двух типов: короткозамкнутый и фазный.
Короткозамкнутый ротор имеет шихтованный цилиндр с пазами. В пазы укладываются стержни, замкнутые электрически с двух сторон кольцами. Эти кольца и стержни называют «беличьим колесом» (рисунок ниже)
На рисунке выше показано устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Поскольку на роторе нет коллекторного узла, ротор не имеет скользящих контактов, двигатель очень прост в обслуживании, надежен в работе, дешев, легок и экономичен. Это двигатель основного исполнения.

в электроприводе металлорежущих станков;
в подъёмно-транспортных машинах;
в транспортёрах, насосах, вентиляторах и т.д.
маломощные двигатели используются в устройствах автоматики.
Применение асинхронных машин:
Достоинства асинхронных двигателей:
высокая надёжность;
возможность работы непосредственно от сети переменного тока;
простота обслуживания;
высокий КПД.

Условные графические обозначения
асинхронных машин

Как и все электрические машины, синхронная машина обратима и может широко использоваться в промышленности как генератор и двигатель преимущественно большой мощности.
Синхронные машины относятся к классу машин трехфазного переменного тока. Частота вращения ротора синхронной машины равна частоте вращающегося магнитного поля.
Синхронная машина состоит из статора и ротора
Синхронные машины

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит, обмотка которого питается от источника постоянного тока.
Ротор синхронной машины бывает двух типов:
явнополюсный и неявнополюсный
Явнополюсный ротор
используется большей частью в тихоходных синхронных машинах. Обмотка ротора присоединяется к контактным кольцам и с помощью щеток на нее подается постоянное напряжение. В машинах с большой скоростью вращения (турбогенераторах, газогенераторах) применяется неявнополюсный ротор.

На рисунке ниже приведена схема неявнополюсного ротора с одной парой полюсов.
В многополюсных роторах полюсы чередуются по кругу. Обмотка ротора возбуждает постоянный магнитный поток и называется обмоткой возбуждения.
В генераторном режиме обмотка возбуждения включается на постоянное напряжение.
В режиме двигателя, кроме постоянного напряжения, подаваемого на обмотку возбуждения, подается также трехфазное синусоидальное напряжение на обмотку статора. Обмотка возбуждает вращающееся магнитное поле, которое захватывает в синхронном вращении поле ротора
и сам ротор.

Холостой ход синхронного генератора
Холостой ход (или нерабочий режим) осуществляется при отключенной нагрузке. Ток статора в этом случае равен нулю. Ток возбуждения регулируется внешним источником в широких пределах.
Характеристика нерабочего (холостого) хода представляет собой магнитную характеристику системы и напоминает кривую намагничивания.
Форма ЭДС статорной обмотки зависит от формы магнитного потока в цепи статора. Специальной формой полюсных наконечников можно получить синусоидальную ЭДС статорной обмотки.

Пуск синхронного двигателя
При включении двигателя механическая инерция ротора велика и вращающий момент на валу практически равен нулю. Поэтому для пуска нужно раскрутить вал двигателя до скорости, близкой к синхронной. Сложный пуск в значительной мере ограничивает использование синхронного двигателя.
Для пуска синхронного двигателя укладывают короткозамкнутую обмотку («беличье колесо») в полюса ротора (рис. справа).
Стержни обмотки соединяются кольцами. При пуске обмотка возбуждения замыкается на пусковое сопротивление, как показано на рис. справа.

После включения обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток в «беличьем колесе» и создает асинхронный пусковой момент. Чтобы увеличить пусковой момент, иногда ис­пользуют клетку с глубоким пазом или двойную «беличью клетку». Это повышает пусковой момент до 0,8... 1,0 А/н. Когда скольжение достигает примерно 5%, обмотка возбуждения отключается от сопротивления и включается на источник постоянного тока.
Если обмотку возбуждения на время пуска оставить разомкнутой, то индуцируемая в ней большая ЭДС, приведет к пробою изоляции. После асинхронного разгона ротора и включения обмотки возбуждения возникает синхронный вращающий момент.
Действие этого момента переводит двигатель в режим синхронной работы. Мощные синхронные двигатели пускают при сниженном напряжении на статорной обмотке.

Преимущества и недостатки синхронной машины
Синхронные двигатели используют там, где требуются стабильная скорость вращения, экономичность. Бесконтактные микродвигатели с однофазной и трехфазной обмотками статора применяют в программных механизмах, электрочасах, звуковой аппаратуре и др.
Недостатки
синхронных машин:
сложная конструкция;
необходимость использования двух источников напряжения
(переменного трехфазного и постоянного) для двигателя;
затруднения с пуском двигателя.
Преимущества
синхронных машин:
высокие КПД и коэффициент мощности;
абсолютно жесткая механическая характеристика двигателя;
независимость частоты ЭДС генератора от нагрузки машины.

Графические обозначения синхронных машин
Графическое обозначение трехфазной синхронной машины с вращающимся выпрямителем
Графическое обозначение синхронной машины, которая возбуждается постоянными магнитами
Графические обозначения синхронных машин (пунктирной окружностью обозначают явнополюсный ротор)

Электрические машины

ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Асинхронные машины с короткозамкнутым ротором
УСТРОЙСТВО
1 – корпус (станина)
2 – статор
3 – обмотка статора
4 – ротор
5 – вал ротора

Устройство короткозамкнутого ротора
1 – вал
2 – сердечник
3 – пазы
4 - вентилятор

Устройство асинхронной машины
с фазным ротором
1 – корпус (станина)
2 – статор
3 – ротор
4 – контактные кольца
5 – щетки