Для какой цели в генераторе переменного тока применяют стальной якорь
Обновлено: 16.05.2024
В 1832-м году неизвестным изобретателем был создан первый однофазный синхронный многополюсный генератор переменного тока. Но в самых первых электронных устройствах применялся только постоянный ток, в то время как переменный ток долгое время не мог найти своего практического применения. Тем не менее, вскоре выяснили, что намного практичнее использовать не постоянный, а переменный ток, то есть тот ток, который периодически меняет свое значение и направление. Преимущества переменного тока, состоят в том, что его удобнее вырабатывать при помощи электростанций, генераторы переменного тока экономичнее и проще в обслуживании, чем аналоги, работающие на постоянном токе. Поэтому были собраны надежные электрические двигатели переменного тока, которые сразу нашли свое широкое применение в промышленных и бытовых сферах. Надо отметить, что благодаря существованию переменного тока, его особенным физическим явлениям, смогли появиться такие изобретения, как радио, магнитофон и прочая автоматика и электротехника, без которой сложно представить современную жизнь.
Устройство генератора переменного тока
Генератор переменного тока – это устройство, которые преобразует механическую энергию, в электрическую.
Состоит он из неподвижной части, которая называется статор или якорь (см. рисунок) и вращающейся части — ротор или индуктор. В генераторе переменного тока ротор - это электромагнит, который обеспечивает магнитное поле, которое передается на статор. На внутренней поверхности статора есть осевые впадины, так называемые пазы, в которых расположена обмотка переменного тока (проводник). Статор генератора изготавливается из 0.35 мм спрессованных стальных листов, которые изолированы покрытой лаком пленкой. Эти листы устанавливаются в станине устройства. Ротор крепится внутри статора и вращается посредством двигателя. Вал – одна из деталей, для передачи крутящего момента под действием расположенных на нём опор. На общем валу с генератором, располагается так называемый возбудитель постоянного тока, который питает постоянным током обмотки ротора. Аккумулятор в генераторе переменного тока выполняет функции стартерной батареи, которая имеет свойство накапливать и хранить электроэнергию при нехватке в отсутствии работы двигателя и при нехватке мощности, которую развивает генератор.
Применение генераторов переменного тока в жизни
В течении последних лет, популярность использования электростанций и генераторов переменного тока значительно возросла. Используются они как в промышленных, так и в бытовых сферах. Промышленные генераторы являются наилучшим вариантом для использования на производстве, в больницах, школах, магазинах, офисах, бизнес центрах, а так же на строительных площадках, значительно упрощая строительство в тех зонах, где электрификация полностью отсутствует. Бытовые генераторы, более практичные, компактные и идеально подходят для использования в коттедже и загородном доме. Генераторы переменного тока широко применяются в различных областях и сферах благодаря тому, что могут решить множество важных проблем, которые связаны с нестабильной работой электричества или полным его отсутствием.
Обслуживание
Практически любая дизельная электростанция в независимости от ее мощности (500 кВт) и производителя имеет 2 главные составляющие. Это генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания. Так как поддерживать данные узлы необходимо в рабочем исправном состоянии, в ходе их эксплуатации нужен определенный перечень обязательных работ по их техническому обслуживанию. К сожалению, подавляющее большинство владельцев считает, что можно ограничиться лишь своевременной заменой масла и фильтра, при этом «техническое обслуживание» можно провести и самостоятельно. Но результатом этого зачастую становится полный отказ работы устройства. В результате чего, не сложно сделать вывод, что проще и дешевле, доверить оборудование профессионалам, которые благодаря знаниям и огромному опыту, смогут увеличить срок службы ДГУ и сократить расходы при аварийных ситуациях.
Вам нужна дешевая дизельная электростанция? Посмотрите наш каталог ДГУ по специальной цене.
Возможно, будет выгоднее купить дизельную электростанцию, чем брать ее в аренду.
Генератор переменного тока
Генераторы переменного тока
Генератор переменного тока – это машина, которая преобразует механическую энергию в энергию электрическую на основании закона электромагнитной индукции. Проводник перемещается в магнитном поле, силовые линии поля пересекают проводник, в результате чего в проводнике инициируется движение электронов, что в свою очередь приводит к возникновению электродвижущей силы. Если к концам проводника подключить нагрузку, то в проводнике возникнет ток.
Переменным ток называется по той причине, что в течение времени он меняется по своей величине и направлению. При чем, изменения эти носят периодический (синусоидальный) характер. На графике это выглядит следующим образом:
Нулевая точка – это начало отсчета. Дальше показано, как ток изменяется во времени.
Генератор состоит из проводника, намотанного на стальной магнитопровод (якорь) и системы магнитов – обыкновенных или электрических. Электрическая энергия снимается с якоря при помощи угольных щеток, прилегающих к кольцу, к которому в свою очередь присоединены концы проводника.
Якорь – подвижная (вращающаяся) часть генератора, статор – неподвижная, создающая магнитное поле.
Если магнитное поле в генераторе наводится электромагнитами, то в паре с ним работает еще один генератор – возбудитель. В возбудителе магнитное поле наводится обыкновенными магнитами.
В движение якорь приводится различными механическими средствами, в зависимости от применения. На электростанции – это турбины (паровые, водяные). В бытовых генераторах якорь вращается механической энергией, получаемой за счет двигателя внутреннего сгорания.
Область применения
Переменный ток широко распространен. На сегодняшний день на переменном токе работает почти вся бытовая техника и промышленность. Связано это с тем, что переменный ток передается на большие расстояния, с гораздо меньшими потерями, нежели постоянный. Также, переменный ток, легко преобразуется в постоянный с помощью диодных выпрямителей. Постоянный ток, преобразовать в переменный невозможно.
Генераторы переменного тока используются на всех электростанциях.
Промышленные электрогенераторы переменного тока используются для обеспечения аварийного автономного питания больниц, школ, детских садов, торговых и промышленных объектов. Также промышленные генераторные установки используются при строительстве новых объектов, это позволяет использовать электрооборудование на участках, где отсутствуют другие источники электроэнергии.
В бытовых дизельных и бензиновых установках для различных целей. Это и обеспечение автономного питания, в случае отключения линии электроэнергии, и ее получение в местах, где линия электропередач отсутствует.
Для какой цели в генераторе переменного тока применяют стальной якорь
Назначение, общее устройство и принцип работы генераторов
Система электроснабжения включает в себя источники электрической энергии, предназначенные для питания потребителей, установленных на автомобиле.
В состав системы электроснабжения обычно входят в качестве источников энергии генераторная установка и аккумуляторная батарея, работающие параллельно в условиях взаимного дополнения в зависимости от режима работы автомобиля, а также элементы коммутационной аппаратуры и соединительные провода.
При работающем двигателе генераторная установка является основным источником электрической энергии, которая кроме питания потребителей обеспечивает подзаряд аккумуляторной батареи.
При неработающем двигателе обеспечение питания потребителей переходит к аккумуляторной батарее. Кроме того, аккумуляторная батарея должна обеспечивать возможность надежного пуска двигателя электрическим стартером.
Привод генератора осуществляется от коленчатого вала двигателя посредством клиноременной передачи, в связи с чем генератор работает в условиях непрерывно изменяющейся частоты вращения ротора.
Ток нагрузки генератора также может изменяться в довольно широких пределах в зависимости от числа и мощности включенных потребителей.
Для автоматического поддержания напряжения генератора на заданном уровне независимо от скоростного режима двигателя и тока нагрузки в систему генераторной установки вводится регулятор напряжения, осуществляющий функцию стабилизатора напряжения бортовой сети автомобиля.
В некоторых случаях в данную систему вводят защитные реле, осуществляющие защиту генератора от перегрузки по току и от обратного тока.
Виды генераторов
Существующие конструкции генераторных установок рассчитаны на номинальное напряжение 14 или 28 В, однако в некоторых случаях возможна установка двухуровневой системы, когда электропитание основной части потребителей осуществляется от сети напряжением 14 В, а для питания электропусковой системы дизеля используется участок сети напряжением 28 В.
Включение генераторной установки в бортовую сеть производится по однопроводной схеме, предусматривающей соединение отрицательного полюса «-» с металлическим корпусом машины, а разветвление положительного полюса «+» посредством проводов.
Иногда при наличии неэлектропроводной несущей системы машины или для снижения уровня радиопомех может применяться двухпроводная система, предусматривающая передачу обоих полюсов по проводам.
В качестве основных требований к генераторным установкам предъявляется обеспечение высокой надежности и стабильности выходных характеристик в условиях вибронагруженности, широких диапазонов рабочей температуры и влажности воздуха, повышенной химической агрессивности и загрязненности среды.
Генератор должен обеспечивать электропитание бортовой сети постоянным током. Однако преобразование механической энергии в электрическую энергию возможно только на основе переменного тока.
В современных условиях выпрямление переменного тока или преобразование его в постоянный осуществляется посредством полупроводниковых выпрямительных диодов.
В прошлом, до широкого распространения полупроводниковых приборов, выпрямление переменного тока в генераторах производилось посредством щеточно- коллекторного узла, в составе генератора постоянного тока.
В генераторных установках автомобилей возможно применение следующих типов генераторов:
• генераторов постоянного тока с самовозбуждением;
• генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением;
• бесконтактных генераторов переменного тока с первичным возбуждением от постоянных магнитов.
Генераторы постоянного тока
Генераторы постоянного тока в настоящее время считаются морально устаревшими в связи с присущими им недостатками, однако их достоинства допускают возможность их использования в некоторых специфических условиях.
Генератор постоянного тока представляет собой конструкцию в виде трубчатого стального корпуса с размещенными в ней обмотками возбуждения (полюсными башмаками). Якорь генератора размещается в роторе, укрепленном на подшипниках и врашаюшемся внутри корпуса.
Силовые обмотки якоря расположены в роторе и подключены соответственно к противоположным полюсам (ламелям) коллектора.
Ток генератора снимается с коллектора якоря посредством угольных токосъемников (щеток).
Для обеспечения самовозбуждения корпус генератора должен быть изготовлен из полосовой низкоуглеродистой стали с содержанием углерода до 0,1%.
-Сердечник якоря для уменьшения нагрева от вихревых токов должен быть изготовлен в виде набора штампованных из электротехнической стали пластин, напрессованных на рифленый стальной вал.
Коллектор изготовляется из штампованных медных пластин, изолированных между собой миканитовыми прокладками.
В качестве регулятора напряжения генератора постоянного тока используется вибрационный регулятор, содержащий электромагнитные обмотки и контактный прерыватель вследствии чего такой регулятор может пропускать ток возбуждения не более 3 А.
Генератор постоянного тока нуждается в защите от обратного тока, когда его напряжение становится ниже электродвижущей силы (ЭДС) аккумуляторной батареи и генератор может в таком случае переключиться в режим работы электродвигателя.
Для предотвращения такого явления в схеме его включения необходимо применять реле обратного тока, исключающее возможность утечки тока с батареи на генератор.
В современных условиях реле обратного тока может быть заменено полупроводниковым диодом большой мощности, включаемом между генератором и батареей.
При больших токах нагрузки генератора возможен перегрев его силовой обмотки, в связи с чем генератор постоянного тока нуждается в наличии реле ограничения тока, осуществляющего защиту генератора от перегрузки по току.
Исходя из этого можно определить недостатки препятствующие широкому использованию генераторов постоянного тока:
ограниченная мощность генератора при его значительной массе;
технологическая сложность в изготовлении;
значительный расход медных сплавов на коллектор;
низкий КПД уменьшающийся с повышением частоты вращения ротора из-за искрения в коллекторе;
потребность в частом и дорогостоящем техническом обслуживании;
необходимость защиты генератора от обратного тока и перегрузки;
К достоинствам генератора постоянного тока следует отнести:
наличие рекуперации, позволяющей работу в едином блоке со стартером (в виде династартера);
сохранение работоспособности при эксплуатации в зоне повышенного радиационного загрязнения.
Недостатки, присущие генераторам постоянного тока, во многом устраняются в конструкциях современных генераторов переменного тока.
Генераторы переменного тока с электромагнитным возбуждением
Такие генераторы известны в течение довольно длительного времени, однако их использование в качестве источников тока на автомобилях сдерживалось отсутствием соответствующих выпрямительных систем.
С появлением в промышленном производстве мощных малогабаритных германиевых и кремниевых диодов стало возможным создание автомобильных генераторов переменного тока с встроенными блоками выпрямителей.
Достоинствами генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением следует считать:
практически не ограничиваемую никакими внешними факторами мощность при относительно малой массе генератора;
малый уровень радиопомех;
незначительную трудоемкость в обслуживании;
стабильность характеристик в течение длительного срока эксплуатации.
Недостатком генератора рассматриваемого типа можно считать невозможность работы генератора без подключения аккумуляторной батареи ввиду необходимости принудительного возбуждения. Кроме того, при отключении батареи от генератора при работающем двигателе возможен необратимый тепловой пробой выпрямительных диодов и некоторых элементов регулятора напряжения.
Генератор переменного тока с электромагнитным возбуждением может быть представлен в виде конструкции с неподвижным статором, в котором размещена силовая обмотка якоря, вращающегося внутри него ротора, содержащего обмотку возбуждения.
Контакты обмотки возбуждения подключены к двум латунным кольцам, расположенным на валу ротора и изолированным от «массы».
Ток возбуждения подается на эти кольца посредством двух угольных щеток.
Статор генератора для уменьшения действия вихревых токов выполняется из набора пластин электротехнической стали изолированных одна от другой.
Ротор генератора состоит из нескольких пар клювообразных полюсов, от которых на статор поступает магнитный поток возбуждения.
При включении замка зажигания на обмотку возбуждения подаётся ток от АКБ.
Проходя по обмотке возбуждения, ток создаёт магнитный поток возбуждения который распределяется по клювообразным полюсам одной полярности.
Выходя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюса другой полярности и замыкается через втулку ротора и вал.
При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс магнита, т.е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора, изменяется по величине и направлению по закону, близкому к синусоидальному.
В обмотке каждой фазы будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС.
Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зависит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, определяемой формой полюса.
Для формы полюса желателен такой вид, чтобы график изменения ЭДС был близок к синусоиде.
При двухполупериодной схеме выпрямления тока и звездообразном соединении обмоток генератора в каждый момент времени работает тот диод группы у которого анодный вывод в это время имеет наибольший положительный потенциал относительно нулевой точки N, а вместе с ним диод второй группы у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал относительно этой же точки.
Частота пульсаций выпрямленного напряжения при этом равна удвоенному числу фаз генератора, т.е. шесть пульсаций за период.
При звездообразном соединении обмоток статора зависимость между линейным Uл и фазным Uф напряжением определяется по формуле
Линейный ток Iл в данном случае равен фазному Iф : Iл = Iф .
При трехфазном исполнении силовой (якорной) обмотки генератора и двухполупериодном выпрямлении переменного тока частота пульсаций ƒп , выпрямленного напряжения в 6 раз превосходит частоту генератора ƒ
где: р — число пар полюсов; n — частота вращения ротора, мин -1 .
Бесконтактные по цепи возбуждения генераторы
Эти генераторы позволяют работать системе электроснабжения без аккумуляторной батареи, в связи с чем их используют в основном в тракторных системах, где пуск двигателя осуществляется от специального двигателя внутреннего сгорания.
Аккумуляторная батарея в таком случае используется в качестве источника энергии для питания приборов освещения и вспомогательного оборудования при неработающем двигателе.
В настоящее время бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением существуют двух типов: индукторные генераторы и генераторы с укороченными клювами ротора, у которых вращающейся частью является только ротор, имеющий две подшипниковые опоры.
Типичными примерами индукторных генераторов являются имеющиеся в производстве мод. 21.3701 и 49.3701.
Трудоемкость обслуживания таких генераторов сведена лишь к поддержанию работоспособности подшипников опор ротора и контролю за состоянием соединительных клемм.
В качестве перспективных можно считать конструкции индукторных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением, которые из-за отсутствия щеточно-кольцевых контактов имеют более высокие показатели надежности и минимальную трудоемкость в обслуживании.
Общим недостатком, свойственным бесконтактным по цепи возбуждения генераторам, следует считать их увеличенную массу из-за необходимости использования постоянных магнитов в роторе для обеспечения свойства самовозбуждения.
Рабочие характеристики генераторов
Рабочие характеристики генераторов определяют зависимости показателей их работы от входных факторов.
Существует несколько разновидностей рабочих характеристик генераторов, основными из которых являются внешняя, скоростная регулировочная и токоскоростная.
По указанным характеристикам можно осуществлять подбор генератора к базовой технической системе, а также проводить диагностические и исследовательские работы.
Внешняя характеристика есть зависимость напряжения генератора от силы тока нагрузки Ur = ƒ( Ir) при постоянном скоростном режиме (n = const) .
Для самовозбуждающегося генератора характеристика снимается при отключенном регуляторе напряжения, когда на обмотку возбуждения поступает фактическое напряжение генератора.
Скоростная регулировочная характеристика есть зависимость силы тока возбуждения Iв от частоты n вращения ротора.
Характеристика позволяет определить диапазон изменения тока возбуждения в зависимости от частоты вращения ротора при ступенчатом изменении тока нагрузки и постоянном напряжении.
Снижение тока возбуждения при возрастании частоты вращения ротора в данном случае происходит в соответствии с работой регулятора напряжения, создающего дополнительное сопротивление в цепи питания обмотки возбуждения генератора и тем самым уменьшающего её магнитный поток.
Токоскоростная характеристика есть зависимость тока генератора Iв , подаваемого на питание нагрузки, от частоты n вращения ротора.
Характеристика снимается при условии, что весь ток генератора идет на питание нагрузки и напряжение является постоянным.
При включении генератора в цепь питания нагрузки в обмотке статора (в якоре) возникает ток
где Ег — ЭДС генератора; Rа — активное сопротивление обмотки статора; Rн — сопротивление нагрузки; X L — индуктивное сопротивление обмотки статора:
где — ƒ частота переменного тока в статоре; L — индуктивность обмотки статора; Сх — машинная постоянная; Ф — магнитный поток в зазоре между ротором и статором.
Все современные генераторы транспортных и технологических машин обладают свойством самоограничения максимального тока и не требуют защиты от перегрузки по току.
Это свойство самоограничения тока генератора проявляется в двух случаях: при увеличении тока якоря и при росте частоты вращения ротора.
Рост тока нагрузки вызывает соответствующее увеличение тока, проходящего через обмотки якоря (статора), что в свою очередь вызывает рост магнитного потока статора Фс , направленного против магнитного потока возбуждения Фв , исходящего от ротора, в результате чего магнитный поток в зазоре между ротором и статором Ф= Фв-Фс уменьшается.
При этом снижается наполнение магнитным потоком обмоток якоря, расположенного в статоре, что вызывает соответствующие ограничение тока Iг отдаваемого генератором.
С увеличением частоты вращения ротора n , увеличивается частота ƒ переменного тока возникающего в обмотках якоря (статора), что вызывает увеличение индуктивного сопротивления X L статора, что также ограничивает ток, отдаваемый генератором.
С достаточной точностью токоскоростная характеристика генератора может быть выражена уравнением
где Iг max - максимальное значение силы тока генератора; n x - частота вращения ротора, соответствующая началу отдачи тока генератором.
Расчётные значения силы тока генератора Iр и частоты вращения ротора n р можно определить, если из начала координат провести касательную к токоскоростной характеристике.
Точка касания прямой и характеристики определяет расчётные значения Iр и n р.
Пользуясь расчетными величинами силы тока Iр и частоты вращения ротора n р , можно осуществить подбор генератора из условия обеспечения электропитания током Iр всех включенных потребителей автомобиля при движении ночью в городе при неблагоприятных погодных условиях со скоростью 50 км/ч на прямой передаче.
Коррекция расчетной частоты вращения ротора n р может быть произведена путем изменения передаточного числа привода генератора от коленчатого вала двигателя.
Устройство якоря
Вращающаяся часть машин – якорь 9 (рисунок 1.1) состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 5.
Сердечник имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов листовой электротехнической стали, на внешней поверхности которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции из медного провода. Концы секций, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку якоря.
Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.
Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e1 и e2, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е1 – е2.
Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.При отсутствии нагрузки (при разомнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе. При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток i, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.
Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.
Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является: совпадение по направлению тока i и э. д. с е в проводниках обмотки якоря; это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию; возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря; из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.
Принцип действия электрического двигателя. Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток , расположенный на якоре, который вращается в магнитном поле полюсов. Проводники витка образуют обмотку якоря. Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток i. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F. На проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой п. Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.
Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.
Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. E, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.
При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.
При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.
Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:
совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения п; это характеризует отдачу машиной механической энергии; возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с. е, направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.
Коллектор (рис. 1.3) набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга, и корпуса 3миканитовыми прокладками 2, образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря.
Рисунок 1.3 устройство коллектора
Принцип обратимости электрических машин. Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего. Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током. Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.
Рис. 68. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря п и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах
Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин. Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.
Для выяснения этого положения рассмотрим работу электрической машины постоянного тока при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. Г. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 68, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую. Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 68, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения п. Совпадение по направлению э. д. с. E и тока Iозначает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию. Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E < U машина работает двигателем, при Е >U — генератором.
Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, КОНСТРУКЦИЯ,
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
ОБРАТИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Машины переменного тока. Описание классификация.
Электрическая машина имеет статор и ротор, разделенные воздушным зазором (рис.1 и рис. 2). Активными частями ее являются магнитопровод и обмотки. Все остальные части - конструктивные, обеспечивающие необходимую жесткость, прочность, возможность вращения, охлаждения и т. п.
Магнитопровод машины, по которому замыкается переменный магнитный поток, выполняют шихтованным — из листов электротехнической стали, как и у трансформатора. Если поток постоянный, то магнитопровод можно выполнять массивным; в этом случае он может осуществлять и конструктивные функции, т. е. служить элементом, обеспечивающим прочность данной части машины (статора или ротора).
Так как в частях электрических машин магнитный поток замыкается по сложным контурам, отличным от прямолинейных, в них, как правило, применяется изотронная холоднокатаная сталь. Только для изготовления полюсов синхронных машин и крупных машин постоянного тока иногда применяется анизотропная холоднокатаная сталь, так как в полюсах направление магнитных линий совпадает с направлением прокатки, в котором магнитная проницаемость очень велика. Сердечники статоров и роторов асинхронных машин и якорей синхронных машин постоянного тока штампуют из изотронной рулонной холоднокатной стали, позволяющей при раскрое получать экономию порядка 10—15% по сравнению с листовой, вследствие чего листовая сталь применяется очень редко.
Рисунок 1 электрическая синхронная машина в разрезе  Рис. 2 Конструктивная схема вращающейся электрической машины: 1 — статор; 2 — обмотка статора; 3 — воздушный зазор; 4 — ротор; 5 — обмотка ротора; 6 — подшипники; 7 — подшипниковые щиты; 8 — вал ротора; 9 — вентилятор; 10 — станина |
В микромашинах широко применяют также магнитопроводы, собранные из листов железоникелевых сплавов типа пермаллой.
Статор асинхронных и большинства синхронных машин состоит из шихтованного магнитопровода (рисунок 3 а), который запрессовывают в литую станину (рисунок 3 6). Поскольку через массивную станину переменный магнитный поток не замыкается, станину можно выполнять из немагнитного материала (алюминия) или ферромагнитного с малой магнитной проницаемостью (чугуна), сравнительно дешевых и хорошо приспособленных к литейной технологии. На внутренней поверхности шихтованного статора, в пазах, располагают обмотку статора.
Ротор асинхронной машины (рисунок 3, в) обычно состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали. Сердечник запрессовывают на вал или втулку ротора (при больших размерах машины) и сжимают специальными нажимными шайбами. В пазах, размещенных на наружной поверхности ротора (сходных по форме с пазами статора), располагают обмотку ротора. В синхронных машинах ротор выполняют массивным, так как на нем расположены полюсы с обмотками возбуждения, магнитный поток которых неподвижен относительно ротора. При изготовлении листов ротора и статора в них штампуют пазы (рисунок 4, а и б) для укладки проводников обмотки ротора и статора, а также вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха.
 |
| Рисунок 3 Устройство статора и ротора машины переменного тока: 1 — пакет статора; 2 — станина; 3 — сердечник ротора; 4 — вал |
 Рисунок 4 Устройство ротора) и статора (б): 1 — лист ротора; 2 - зубец; 3- паз; 4 - вентиляционный канал; 5- отверстие под вал; 6- лист статора |
Конфигурация зубцов и пазов (рисунок 4, рисунок 5) зависит от типа машины и ее мощности. В машинах большой мощности обмотки статора и ротора выполняют из проводников прямоугольного сечения; в этом случае применяют открытые пазы прямоугольной формы, позволяющие наилучшим образом разместить проводники и обеспечить надежную их изоляцию. В машинах малой и средней мощности обмотки ротора и статора обычно выполняют из провода круглого сечения; в таких машинах применяют полузакрытые пазы овальной или трапецеидальной формы. В ряде случаев при проводниках прямоугольного сечения применяют полуоткрытые пазы, уменьшающие магнитное сопротивление слоя «зубцы - пазы -воздушный зазор» по сравнению с открытыми пазами. В микромашинах роторы часто имеют пазы круглой формы; при этом существенно упрощается и удешевляется изготовление штампов.
 Рисунок 5 Пазы ротора открытый (а), полуоткрытый (б) и полуза-крытый (в, г): 1- клин; 2- проводники; 3- изоляция слоя; 4- межслой-ная изоляция; 5 — пазовая часть  |
| Рисунок 6 Пазы статора открытый (а), полуоткрытый (б) и полузакрытые (в): 1- проводники; 2 - изоляция слоя; 3 - межслойнаяизоляция; 4 - изоляция паза; 5 – клин |
При укладке проводников в пазы дно и стенки покрывают изоляционным материалом (электрокартоном, лакотканью, миканитом и пр.). Проводники, а также их верхний и нижний слои тоже изолируют друг от друга. Чем выше напряжение, при котором работает машина, тем большую электрическую прочность должна иметь изоляция проводников от сердечника ротора или статора. Проводники укрепляют в пазах ротора и статора с помощью клиньев, а на роторе, кроме того, с помощью проволочных бандажей или стеклобандажей, которые наматывают на лобовые части его обмотки (части обмотки, выходящие из сердечника ротора). В некоторых случаях бандажи располагают и в нескольких местах вдоль сердечника ротора.
Для подвода тока к обмотке ротора или подключения к ней реостата на роторе должны быть расположены контактные кольца: три кольца при трехфазном токе и два кольца при постоянном токе. Исключение составляют асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, которым контактные кольца не требуются. Токосъем с контактных колец осуществляют с помощью щеток - прямоугольных брусков, изготовленных из смеси угля, графита и порошка металла (меди и свинца). Щетки устанавливают в специальных щеткодержателях и прижимают к контактной поверхности с помощью пружин. Электрические машины мощностью примерно до 2000 кВт имеют шариковые или роликовые подшипники, которые располагают в подшипниковых щитах. При больших мощностях применяют скользящие подшипники.
Электрические машины переменного тока - асинхронные и синхронные, несмотря на различия в устройстве и конструкции, имеют много общего в принципе работы и теории. В этих машинах при прохождении по обмоткам статора или ротора переменного тока, синусоидально изменяющегося во времени, создается вращающееся магнитное поле. Это поле, в свою очередь, пересекает обмотки статора и ротора (или одну из них) и наводит в них переменную ЭДС. Общность физических процессов обусловливает общность теории и сходность конструкции многофазных обмоток переменного тока и принципов устройства статора асинхронной машины и якоря синхронной машины.
Читайте также: