Электрические машины

К ним относятся генераторы и двигатели. Генераторы - это преобразователи механической энергии в электрическую. Практически вся электроэнергия в настоящее время вырабатывается генераторами гидро-, тепловых и атомных станций в виде электрической энергии трехфазного переменного тока. В связи с этим наибольшее распространение благодаря низкой стоимости, простоте и надежности конструкции получили асинхронные двигатели.

Двигатели постоянного тока дороже и сложнее в изготовлении, но позволяют получать высокие скорости вращения вала (до нескольких десятков тысяч об/мин) и допускают относительно простое регулирование скорости в широких пределах.

Основными частями любой вращающейся электрической машины являются ротор и статор.

Двигатели постоянного тока (ДПТ). Содержат статор с явно выраженными полюсами, на которых расположена обмотка возбуждения и вращающийся якорь с обмоткой, содержащей до нескольких десятков секций, соединенных между собой. Концы секций подключены к изолированным друг от друга коллекторным пластинам, через которые, с помощью скользящих по ним графитовых щеток, к обмотке якоря подводится постоянный ток I_я.

Уравнение электрического состояния двигателя имеет вид

U=E_я+I_яR_я ,

где: R_я - активное сопротивление обмотки якоря;

Е_я=С_EФn - ЭДС якоря;

С_E – конструктивная постоянная ЭДС машины;

n - частота вращения якоря;

Ф – поток возбуждения машины.

При взаимодействии потока возбуждения Ф и тока якоря I_я, возникает вращающий момент М.

М=С_мФI_я,

где: С_М – конструктивная постоянная момента машины.

где: n₀ = U/c_EФ - скорость холостого хода;

Dn = R_яI_я/с_EФ- снижение скорости вращения якоря двигателя под нагрузкой из-за падения напряжения на R_я.

Если мощность двигателя выражена в (кВт), а частота вращения в (об/мин), то момент двигателя в (Нм) будет определяться формулой M = 9550 P/n.

На рис. 1.28 показаны схемы подключения ДПТ: а) с независимым возбуждением, б) с параллельным возбуждением. Из рис. 1.28,б следует, что ток, потребляемый ДПТ с параллельным возбуждением от сети U

I=I_я+I_в,

где - ток, потребляемый обмоткой возбуждения (ОВ);

R_в - сопротивление ОВ.

Необходимо отметить, что мощность двигателя, указанная на его щитке, представляет собой номинальную механическую мощность на его валу Р_Н. Очевидно, что из-за потерь энергии в двигателе электрическая мощность Р_1Н, подведенная к нему, будет больше Р_Н.

,

где h - КПД двигателя.

В момент пуска скорость вращения якоря n=0 и Е_я=0, тогда I_п = U/(R_я+R_п) или .

Трехфазный асинхронный двигатель (АД) Статор АД имеет трехфазную обмотку, соединенную в “звезду” или “треугольник”, и обмотку ротора. В зависимости от конструкции обмотки ротора различают АД с фазным ротором и АД с короткозамкнутым ротором. Обмотка фазного ротора выполняется по типу трехфазной обмотки статора из изолированного медного провода и соединяется в “звезду”. К свободным концам обмотки через три контактные кольца и графитовые щетки подключаются пусковые или регулировочные резисторы.

Короткозамкнутая обмотка представляет собой алюминиевые стержни, залитые в пазы ферромагнитного ротора, концы которых соединены между собой по типу “беличье колесо”.

При подключении обмотки статора к трехфазной сети, внутри его образуется вращающееся магнитное поле, которое, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в ней ЭДС Е₂ и ток I₂. При взаимодействии тока ротора и магнитного поля статора возникает вращающий момент:

М=С_мФ_мI₂cosy₂ ,

где: С_м - конструктивный коэффициент машины;

Ф_м - поток статора;

y₂ - угол сдвига фаз между ЭДС Е₂ и током ротора I₂.

Относительная разность скорости вращения поля статора n₀ и скорости вращения ротора n называется скольжением:

,

где: (об/мин);

f₁=50 Гц - частота сети;

р=1,2,3 и т.п. - число пар полюсов обмотки статора.

Скорость n₀ в зависимости от р может иметь величину 3000, 1500, 1000 и т.д. об/мин.

Скорость вращения ротора всегда меньше n₀, n=n₀(1-S).

Эксплуатационные возможности АД, как и любого преобразователя электрической энергии в механическую, определяет его механическая характеристика (рис. 1.30.). На рисунке: М_н, М_п, М_max – номинальный, пусковой и максимальный (критический) моменты.

Она может быть рассчитана по паспортным данным АД по приближенным формулам:

,

где S_k - критическое скольжение.

;

; .

Результаты расчета заносят в таблицу 1.1.

Таблица 1.1.

По данным таблицы 1.1. строят механическую характеристику.

АД представляет для сети симметричную нагрузку, поэтому номинальную активную мощность, потребляемую им, определяют так:

или ;

где - номинальная механическая мощность на валу двигателя (указывается на щитке АД);

h_Н - номинальный КПД.

Отношение пускового тока I_П к номинальному I_H определяется коэффициентом , а пускового момента М_П к номинальному М_Н : . Коэффициент определяет перегрузочную способность двигателя.

При постоянном М_С механическая мощность на валу двигателя:

(Вт),

где М - Н^.м;

n - об/мин.

При непостоянном М_С (рис. 1.31,б) мощность Р находят по эквивалентному моменту нагрузки М_СЭ:

.

После расчета Р по каталогу выбирают двигатель из условия:

1. Р_Н Р, где Р_Н - номинальная (паспортная) мощность двигателя.

2. n_Н » n, где n - заданная скорость вращения механизма.

3. М_max=K_mM_H>M_наиб , где M_наиб - наибольший момент на валу двигателя (из рис. 2б M_наиб=М₂).

4. М_П>М₁, где М₁ - момент нагрузки на валу двигателя ( см. рис. 1.31,б при t=0).

Если величина М_П в каталоге отсутствует, то принимают М_П=1,5М_Н.

Если скорость вращения механизма n£3000 об/мин и ее не требуется регулировать, то выбирают трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.