Обратимость электрических машин

Основные положения принципа обратимости электрических машин

Таким образом, мы получим электрический двигатель, который, в отличие от генератора преобразует электрическую энергию в механическую.

По закону Ленца, индуцированный ток всегда имеет такое направление, при котором возникающая электромагнитная сила стремится препятствовать тому изменению (движению), благодаря которому индуцируется ток.

Рис. 1. Простейший генератор переменного тока

Рис. 2. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 3. Генератор дает переменную э.д.с., если концы рамки подключены к кольцам. Если же они подключены к полукольцам (пластинам коллектора), то ток в цепи будет пульсирующим.

На основании упомянутых выше законов и принципа работы простейших электрических машин можем сформулировать следующие основные положения энергопреобразования:

1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии в индуктивных электрических машинах возможно лишь тогда, когда последняя является энергией переменного тока,

2) для такого энергопреобразования необходим электрический контур с изменяющейся индуктивностью (в нашем случае это поворачивающийся в магнитном поле виток),

4) любая электрическая машина энергетически обратима, т. е. принципиально равноценно может работать и как генератор, и как двигатель,

5) поскольку для проявления закона электромагнитной индукции необходимо лишь относительное перемещение проводника и магнитного поля, то любая электрическая машина кинематически обратима, т. е. у нее может вращаться или якорь или индуктор.

Возможно ли использование двигателя вместо генератора на практике

По закону Э. X. Ленца индуктированный ток в замкнутом электрическом контуре всегда имеет такое направление, при котором возникающая электромагнитная сила стремится препятствовать тому изменению (движению), благодаря которому индуктируется электрический ток. На этом основании всякая индуктивная электрическая машина «энергетически обратима», т. е. может, принципиально, работать как генератором, так и двигателем.

Тем не менее, при необходимо знать, для какого режима работы электричсекая машина предназначается, — для генераторного или двигательного. Это объясняется тем, что на практике к генератору и к двигателю предъявляются определенные требования, которые не всегда совместимы, а потому может оказаться, что электрическая машина, выполненная как генератор, не будет в состоянии удовлетворительно работать в качестве двигателя, и наоборот.

Поэтому всякая машина должна иметь на своем «заводском щитке» указание, для какого режима работы она предназначается выпустившим ее заводом. Кроме того, нужно отметить, что ряд типов электрических машин возник и применяется только в качестве генератора, либо только в качестве двигателя.

Кинематическая обратимость электрической машины

С точки зрения осуществления в электрической машине энергопреобразования важно лишь взаимоотносительное движение ее двух основных органов, вытекает кинематическая обратимость электрической машины.

Это значит, что если ротор электрической машины застопорить, а статору дать возможность вращаться, то он придет во вращение, при этом будет вращаться, при неизменных электрических соединениях, в сторону, обратную той, в которую вращался ротор, превращенный в статор (это следует из законов механики).

Очевидно, что для придания статору возможности вращения его придется снабдить соответствующими подшипниками и, кроме того, скользящими электрическими контактами, чтобы сохранить подачу электрической энергии к статору, если таковая имела место до переделки. Очевидно, что при кинематическом обращении внутрироторной электрической машины получим внешнероторную электрическую машину, и наоборот.

Источник

Основные положения принципа обратимости электрических машин

Занятие 1.

1. Назначение, классификация, обратимость электрических машин.

2. Электрические генераторы: классификация, устройство, принцип действия, характеристики, эксплуатация, к.п.д.

1. Электрические машины — это устройства преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот, а так же машины преобразующую электрическую энергию одних параметров в электрическую энергию других параметров.

Классификация электрических машин по назначению:

− тахогенераторы (для преобразования частоты вращения в электрический сигнал)

− электромашинные усилители (усилители мощности электрических сигналов)

− синхронные компенсаторы (для повышения коэффициента мощности)

− индукционные регуляторы (для регулирования напряжения переменного тока)

− сельсины (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала)

Классификация электрических машин по назначению:

− специального — выполненных с учетом специальных требований.

Классификация электрических машин по мощности:

− большой — несколько сотен мегаватт

− средней — более 10 кВт

− микромашины — меньше 0,5 кВт

Классификация электрических машин по принципу действия:

Все электрические машины разделяются на коллекторные и бесколлекторные.

Бесколлекторные машины — это машины переменного тока — асинхронные и синхронные.

Коллекторные машины используют главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и переменного тока.

На рисунке представлена диаграмма классификации электрических машин, содержащая основные их виды, получившие наибольшее применение в современной электроэнергетике.

Так же электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин. Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть) или однофазными. Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора могут быть с короткозамкнутым или фазным ротором. Синхронные машины и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяют на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами.

Основные положения принципа обратимости электрических машин

Согласно закону Био-Савара, на движущийся в магнитном поле проводник с током I действует сила F = Вli, (ВА) направление которой определяется по правилу левой руки. Поэтому если к щеткам машины переменного тока подвести переменный ток, то возникнет сила, которая заставит проводники аb и cd перемещаться в магнитном поле, и виток abcd начнет вращаться (рис. 2).

Необходимо только, чтобы частота f тока соответствовала в период пуска частоте вращения n, т.к. f = pn. Аналогичное явление будет иметь место, если к щеткам машины постоянного тока подвести постоянный ток. Коллектор в этом случае будет играть роль инвертора, превращая подведенный постоянный ток в переменный внутри якоря (см. рис. 3).

Таким образом, мы получим электрический двигатель, который, в отличие от генератора преобразует электрическую энергию в механическую.

По закону Ленца, индуцированный ток всегда имеет такое направление, при котором возникающая электромагнитная сила стремится препятствовать тому изменению (движению), благодаря которому индуцируется ток.

Рис. 2. Простейший генератор переменного тока	Рис. 3. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 4. Генератор дает переменную э.д.с., если концы рамки подключены к кольцам. Если же они подключены к полукольцам (пластинам коллектора), то ток в цепи будет пульсирующим.

На основании упомянутых выше законов и принципа работы простейших электрических машин можем сформулировать следующие основные положения энергопреобразования:

1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии в индуктивных электрических машинах возможно лишь тогда, когда последняя является энергией переменного тока,

2) для такого энергопреобразования необходим электрический контур с изменяющейся индуктивностью (в нашем случае это поворачивающийся в магнитном поле виток),

4) любая электрическая машина энергетически обратима, т. е. принципиально равноценно может работать и как генератор, и как двигатель,

5) поскольку для проявления закона электромагнитной индукции необходимо лишь относительное перемещение проводника и магнитного поля, то любая электрическая машина кинематически обратима, т. е. у нее может вращаться или якорь или индуктор.

2. Генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.

По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:

Источник

Оглавление

Введение. Основные понятия

Электрическая энергия обладает рядом преимуществ по сравнению с дру- гими видами энергии. Это определяет ее повсеместное использование. Одно из основных преимуществ – возможность эффективного преобразования в меха- ническую энергию, а также возможность преобразования механической энер- гии в электрическую. Это осуществляется посредством электромеханических преобразователей, среди которых наиболее важное место занимают электриче- ские машины.

Электрические машины – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую, либо механическую энергию в электрическую.

В первом случае такая электрическая машина называется электрическим двигателем, во втором – генератором электроэнергии.

Рис. В1. Преобразование энергии в электрической машине Электрические машины обладают свойством обратимости. Это означает,

что одна и та же машина может работать как электродвигателем, так и генера- тором. Если вращать вал электрической машины, то на зажимах ее электриче- ской обмотки создается разность электрических потенциалов, а при подклю- ченном электроприемнике возникает электрический ток. Таким образом эта машина преобразует механическую энергию в электрическую, т.е. является ге- нератором электроэнергии. С другой стороны, если электрическую обмотку

этой машины подключить к источнику электроэнергии, то в результате проис- ходящих в ней процессов создается электромагнитный вращающий момент, под действием которого вал машины вращается и вращает приводной меха- низм. В этом случае машина преобразует электрическую энергию в механиче- скую, т.е. является электрическим двигателем.

В основе работы электрических машин лежат проявления магнитного по- ля. В частности электромагнитный вращающий момент возникает при взаимо- действии магнитного поля, создаваемого в электрической машине, с электриче- ской обмоткой, в которой замыкается ток (силовое действие магнитного поля). При работе электрической машины ее обмотки перемещаются относительно магнитного поля. (первый приславший скриншот данного фрагмента получает за задание отлично). При этом в обмотках индуцируется ЭДС (индукционное действие магнитного поля). Совместное действие этих проявлений магнитного поля определяет свойства и характеристики электрической машины.

Таким образом, в основе конструкции электрических машин лежит маг- нитная цепь, в которой формируется магнитное поле определенной интенсив- ности и необходимым образом распределенное в пространстве.

Характер магнитного поля, создаваемого в электрической машине, может быть разным. Магнитное поле может быть постоянным, создаваться постоян- ным магнитом или электрической обмоткой с постоянным током. Магнитное поле может быть переменным, создаваться неподвижной электрической обмот- кой с переменным током, либо обмоткой с постоянным током, расположенной на вращающейся части электрической машины. Ток в электрической обмотке, которая взаимодействует с магнитным полем, также может быть постоянным либо переменным. В зависимости от характера магнитного поля, конфигурации магнитопровода магнитной цепи машины, характера электрического тока в ее обмотках все электрические машины можно разделить на типы:

1. Электрические машины постоянного тока;

2. Асинхронные электрические машины;

3. Синхронные электрические машины;

4. Специальные электрические м4ашины.

В электрических машинах постоянного тока магнитное поле создается обмоткой возбуждения с постоянным электрическим током. Это магнитное по- ле определенным образом распределено в пространстве и неизменно во време- ни (рис.В2а).

а б в Рис. В2. Магнитные цепи электрических машин

1 – машина постоянного тока; 2 – асинхронный двигатель; 3 – синхронная машина

В асинхронном электродвигателе (рис.В2б) магнитное поле создается не- подвижной трехфазной электрической обмоткой с трехфазным электрическим током. Такое магнитное поле равномерно вращается в пространстве. Вращаю- щееся магнитное поле, взаимодействуя со второй обмоткой, расположенной на роторе, создает вращающий электромагнитный момент, под действием которо- го совершается механическая работа.

В синхронной электрической машине (рис.В2в) магнитное поле создается обмоткой возбуждения с постоянным током, расположенной на вращающейся части. При этом постоянное магнитное поле вращается вместе с якорем и взаи- модействует с неподвижной трехфазной электрической обмоткой, находящейся на статоре синхронной машины.

К специальным электрическим машинам можно отнести такие, в которых создание магнитного поля и конструкция обмоток существенно отличаются от предыдущих типов машин.

Электрические машины постоянного тока

В электрической машине постоянного тока (МПТ) осуществляется пре- образование электрической энергии постоянного тока в механическую энергию (двигатель постоянного тока), или наоборот (генератор постоянного тока).

Электрические машины постоянного тока обладают принципом обрати- мости. Поэтому конструкция двигателя постоянного тока (ДПТ) принципиаль- но не отличается от конструкции генератора постоянного тока (ГПТ).

1. Конструкция машин постоянного тока

На рис. 1 показа типичная конструкция машины постоянного тока обще- промышленного применения.

Основными частями машины постоянного тока являются статор и ротор. Статор – неподвижная часть машины, ротор – вращающаяся. Схематичное изо- бражение машины постоянного тока показано на рис. 2. Статор состоит из ста- нины 1, представляющий собой стальной полый цилиндр, являющейся механи- ческим остовом машины и одновременно служащей частью магнитопровода. К внутренней поверхности станины крепятся главные полюсы 2 с обмоткой воз- буждения (ОВ) 3. Катушки обмотки возбуждения, расположенные на главных полюсах, включаются так, чтобы северные и южные полюсы чередовались. Между главными полюсами могут располагаться дополнительные полюсы 4, служащие для улучшения характеристик машины. Обмотка дополнительных полюсов включается в цепь ротора (якоря) МПТ. Общий вид статора машины постоянного тока малой мощности показан на рис. 3.

Ротор машины постоянного тока называется якорем. Якорь 5 (рис. 2) представляет из себя цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На наружной поверхности якоря имеются продольные пазы с уложенной в них обмоткой якоря (ОЯ) 6. Якорь помещается внутри статора и отделен от него

Рис. 1. Конструкция электрической машины постоянного тока.

1-станина; 2-полюс; 3-обмотка возбуждения; 4-дополнительный полюс; 5-якорь; 6-обмотка якоря;

7-коллектор; 8-обмотка дополнительных полюсов; 9-щетки; 11-щеткодержатель; 12-подшипниковый щит; 13-подшипник; 14-вал; 15-вентилятор; 16-рым-болт; 17-клеммная коробка

Рис. 2. Электрическая машина постоянного тока

Рис. 3. Статор машины постоянного тока.

1 – обмотка возбуждения; 2 – полюс статора; 3 – станина

небольшим воздушным зазором. Станина, полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь, по которой замыкается магнитный поток машины. На рис. 2 показаны две силовые линии магнитного поля.

Для соединения обмотки вращающегося якоря с внешней электрической цепью и коммутации тока якоря служит щеточно-коллекторный узел 7. Как по-

казано на рис. 4, цилиндрический коллектор состоит из отдельных медных кол- лекторных пластин 1, изолированных друг от друга. Каждая пластина коллек- тора соединена с соответствующей секцией обмотки якоря. Коллектор крепится на валу машины и вращается вместе с якорем.

Рис. 4. Коллектор машины постоянного тока

К наружной поверхности коллектора прижимаются неподвижные элек- трические щетки 2, установленные в щеткодержателях. Во время работы маши- ны коллектор скользит по щеткам, обеспечивая скользящий электрический кон- такт. Общий вид якоря машины постоянного тока малой мощности показан на рис. 5.

Рис. 5. Якорь машины постоянного тока.

1 – сердечник якоря с обмоткой; 2 – коллектор; 3 – подшипник; 4 – вал

На рис. 6 показана машина постоянного тока серии ПЛ-061У4

.мощностью 60 Вт частотой вращения 1500 об/мин.

Рис. 6. Двигатель постоянного тока

Условное обозначение машины постоянного тока в схемах электрических цепей показано на рис. 7.

Рис. 7. Условное обозначение машины постоянного тока в схемах электриче- ских цепей

2. Принцип действия двигателя постоянного тока

Схема включения двигателя постоянного тока показана на рис. 8. Здесь РМ – рабочий механизм, приводимый в движение электрическим двигателем.

Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока подключена к источ- нику постоянного напряжения Uв. Постоянный ток обмотки возбуждения Iв создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Фв. Магнитный по- ток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначенным на рис. 2 пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизывает обмотку якоря двигателя постоянного тока.

Рис. 8. Схема включения двигателя постоянного тока

Обмотка якоря также подключена к источнику постоянного напряжения U, под действием которого в ней возникает ток якоря Iя. Через скользящий ще- точный контакт ток якоря подается в его обмотку таким образом, что его на- правление в проводниках, расположенных в зоне одного полюса, оказывается всегда постоянным (под северным полюсом – одного направления, под южным

– другого). В соответствии с явлением силового действия магнитного поля на проводники обмотки якоря с током, находящиеся в магнитном поле возбужде- ния, действует электромагнитная сила. Направление действия силы определяет-

ся правилом левой руки.

На рис. 9 схематично показана верхняя часть якоря, находящаяся в маг- нитном поле возбуждения под северным полюсом. Обмотка якоря упрощенно представлена несколькими проводниками круглого сечения.

Рис. 9. Принцип действия двигателя постоянного тока Направление тока в проводниках обмотки якоря определяется полярно-

стью подключения ее к источнику постоянного напряжения. На рис. 9 ток об- мотки якоря обозначен крестиком, что соответствует направлению за плоскость рисунка. Направление магнитного потока определяется направлением тока в обмотке возбуждения (полярностью подключения обмотки возбуждения).

При указанных на рис. 9 направлениях магнитного потока возбуждения и тока якоря на проводники обмотки якоря действует электромагнитная сила, на- правленная влево. Силы, действующие на каждый проводник обмотки якоря, складываются и создают электромагнитный вращающий момент МЭМ, приво- дящий якорь во вращение с частотой вращения n. При этом якорь, вращая ра- бочий механизм, совершает механическую работу. Таким образом, энергия электрического тока, подведенная к двигателю, преобразуется в механическую энергию.

Для изменения направления вращения двигателя достаточно изменит по- лярность подключения обмотки якоря или обмотки возбуждения.

При вращении якоря ДПТ проводники обмотки якоря движутся в магнит- ном поле возбуждения. При этом в обмотке якоря индуцируется ЭДС, направ- ление которой определяется правилом правой руки. В двигателе эта ЭДС на- правлена противоположно току и напряжению якоря (рис. 9) и компенсирует приложенное напряжение.

3. Принцип действия генератора постоянного тока

Схема включения двигателя постоянного тока показана на рис. 10. Здесь Д – приводной двигатель, вращающий вал генератора.

Рис. 10. Схема включения генератора постоянного тока

Обмотка возбуждения генератора постоянного тока подключена к источ- нику постоянного напряжения Uв также, как в ДПТ. Постоянный ток обмотки возбуждения создает постоянное магнитной поле с магнитным потоком Фв. Магнитный поток замыкается в магнитной цепи машины по путям, обозначен- ным на рис. 2 пунктирными линиями. Магнитный поток возбуждения пронизы- вает обмотку якоря генератора постоянного тока.

Якорь генератора вращается приводным двигателем Д (турбина, двига-

тель внутреннего сгорания и т.п.) с частотой вращения n. Проводники обмотки якоря, вращаясь вместе с ним движутся в магнитном поле возбуждения. При этом проявляется индукционное действие магнитного поля. Согласно закону электромагнитной индукции в таких проводниках индуцируется ЭДС, направ- ление которой определяется правилом правой руки. На рис. 11 при указанных направлениях магнитного потока и вращения якоря ЭДС e в проводниках об- мотки якоря направлена вдоль проводника за плоскость рисунка. Это направле- ние обозначено крестиком.

Рис. 11. Принцип действия генератора постоянного тока Конструкция обмотки якоря такова, что все ее проводники соединены по-

механическую энергию в электрическую.

Ток IЯ замыкается во всех проводниках обмотки якоря. При этом согласно явлению силового действия магнитного поля на каждый проводник с током, находящийся в магнитном поле возбуждения, действует электромагнитная сила FЭМ. Направление действия силы определяется правилом левой руки. Как видно на рис. 11, электромагнитные силы, действующие на проводники обмотки яко- ря, создают тормозной электромагнитный момент, направленный навстречу вращению якоря. Этот электромагнитный момент уравновешивает механиче- ский момент приводного двигателя.

4. Способы возбуждения машин постоянного тока

Важным классификационным признаком машин постоянного тока явля- ется способ возбуждения главного магнитного поля, от которого зависят все основные характеристики как двигателей, так и генераторов. Существуют че- тыре способа возбуждения машин постоянного тока: независимое, параллель- ное, последовательное и смешанное возбуждение. На рис. 12 показаны схемы включения обмотки якоря и обмотки возбуждения при разных способах возбу- ждения. Указанные на схемах направления токов соответствуют работе маши- ны в режиме генератора.

При независимом возбуждении (рис. 12а) обмотка возбуждения питается от независимого источника с напряжением Uв. Ток приемника электроэнергии, подключенного к генератору, равен току якоря IЯ. В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 12б) обмотка возбуждения подключена к зажимам якоря. Ток возбуждения определяется напряжением на зажимах генератора и равен

I в = U

где Rв – сопротивление обмотки возбуждения;

U – напряжение на зажимах генератора.

Рис. 12. Способы возбуждения машин постоянного тока

При этом соотношение между токами возбуждения, якоря и приемника определяется первым законом Кирхгофа:

Обмотка возбуждения в такой МПТ выполняется из тонкого провода с большим числом витков и обладает большим электрическим сопротивлением.

В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 12 в) обмотка воз- буждения включается последовательно с обмоткой якоря. При этом токи якоря,

возбуждения и приемника равны между собой:

Последовательная обмотка возбуждения выполняется из провода большо- го сечения с малым числом витков и обладает небольшим электрическим со- противлением. Малое сопротивление последовательной обмотки возбуждения незначительно сказывается на соотношении тока и напряжения в цепи якоря.

Генератор со смешанным возбуждением (рис. 12 г) имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбужде- нием получили название генераторов с самовозбуждением, поскольку их об- мотки возбуждения питаются от зажимов собственного якоря.

5. Схема замещения и уравнения электрического состояния машин постоянного тока

Для расчета и анализа электромагнитных процессов и характеристик ма- шин постоянного тока необходимо моделирование машины с помощью элек- трической схемы замещения и соответствующих уравнений электрического со- стояния.

При составлении схемы замещения необходимо отразить основные про- цессы, происходящие в якоре МПТ. В частности, обмотка якоря выполненная из провода конечных размеров (диаметр и длина) обладает определенным ак- тивным сопротивлением RЯ. Это обусловливает падение напряжения в обмотке якоря и безвозвратную потерю энергии в виде тепла как в генераторе, так и в двигателе. Сопротивление обмотки якоря учитывается в схеме замещения иде- альным резистором с сопротивлением RЯ.

Двигатель постоянного тока

В двигателе постоянного тока при вращении якоря в его обмотке индуци- руется ЭДС, направленная навстречу току и частично уравновешивающая при- ложенное напряжение. Это учитывается введением в схему замещения идеаль-

ного источника ЭДС величиной EЯ. Таким образом, напряжение источника, приложенное к обмотке якоря двигателя, уравновешивается падением напряже-

ния на сопротивлении RЯ и величиной противоэдс EЯ:

Уравнение (4) называют уравнением электрического состояния цепи яко- ря двигателя постоянного тока.

Соответствующая такому уравнению электрического состояния схема за- мещения показана на рис. 13.

Рис. 13. Схема замещения двигателя постоянного тока

Умножив обе части уравнения (4) на ток IЯ, получим уравнение мощно- стей ДПТ:

Источник