Електрически машини с променлив ток

Електрическите машини се използват за преобразуване на механичната енергия в електрическа (генератори на променлив и постоянен ток) и за обратно преобразуване (електродвигатели).

Във всички тези случаи се използват по същество три основни открития в областта на електромагнетизма: явлението механично взаимодействие на токове, открито от Ампер през 1821 г., явлението електромагнитна индукция, открито от Фарадей през 1831 г., и теоретичното обобщение на тези явления направен от Ленц (1834) в добре познатия му закон за посоката на индукционния ток (всъщност законът на Ленц предвиждаше закона за запазване на енергията за електромагнитни процеси).

За да се преобразува механичната енергия в електрическа или обратно, е необходимо да се създаде относително движение на проводима верига с ток и магнитно поле (магнит или ток).

В електрическите машини, предназначени за продължителна работа, се използва въртеливото движение на подвижната част на машината (ротора на променливотоковата машина), разположена вътре в неподвижната част (статора). Намотката на машината, която служи за създаване на магнитно поле, се нарича индуктор, а намотката, която тече наоколо с работен ток, се нарича котва. И двата последни термина се използват и за машини с постоянен ток.

За да се увеличи магнитната индукция, машинните намотки се поставят върху феромагнитни тела (стомана, чугун).

Всички електрически машини имат свойството на обратимост, тоест могат да се използват както като генератори на електрическа енергия, така и като електродвигатели.

Асинхронни двигатели

Използват се асинхронни двигатели една от проявите на електромагнитна индукция… В курсовете по физика се демонстрира, както следва:

Под меден диск, който може да се върти около вертикална ос, преминаваща през центъра му, е поставен вертикален подковообразен магнит, задвижван на въртене около същата ос (механичното взаимодействие между диска и магнита е изключено). В този случай дискът започва да се върти в същата посока като магнита, но с по -ниска скорост. Ако увеличите механичното натоварване на диска (например чрез увеличаване на триенето на оста срещу упорния лагер), тогава скоростта на въртенето му намалява.

Физическият смисъл на това явление се обяснява лесно с теорията за електромагнитната индукция: когато магнитът се върти, се създава въртящо се магнитно поле, което индуцира вихрови токове в диска, величината на последния зависи, при равни други условия, от относителна скорост на полето и диска.

Според закона на Ленц дискът трябва да се върти по посока на полето. При липса на триене дискът трябва да придобие ъглова скорост, равна на скоростта на магнита, след което индукционната ЕРС ще изчезне. В реалния живот триенето неизбежно присъства и дискът става по -бавен. Неговата величина зависи от механичния спирачен момент, преживян от диска.

Несъответствието между скоростта на въртене на диска (ротора) и скоростта на въртене на магнитното поле се отразява в името на двигателите.

Принципът на действие на асинхронните двигатели:

В техническите асинхронни двигатели (най-често трифазни) се създава въртящо се магнитно поле многофазен токпротичащи около намотката на неподвижния статор. При честота на трифазен ток е и броя на статорните бобини 3p въртящо се поле прави n = f / p обороти / сек.

Ротор, който може да се върти, се намира в кухината на статора. Към неговия вал може да бъде свързан въртящ се механизъм.В най-простите двигатели с «катеричка клетка» роторът се състои от система от надлъжни метални пръти, поставени в жлебовете на стоманено цилиндрично тяло. Проводниците са късо съединени от два пръстена. За да се увеличи въртящият момент, радиусът на ротора е направен достатъчно голям.

В други конструкции на двигатели (обикновено двигатели с висока мощност), роторните проводници образуват отворена трифазна намотка. Краищата на бобините са късо съединени в самия ротор, а началата са изведени до три приплъзващи пръстена, монтирани на вала на ротора и изолирани от него.

Към тези пръстени е свързан трифазен реостат с помощта на плъзгащи се контакти (четки), който служи за стартиране на двигателя в движение. След като двигателят се завърти, реостатът се отстранява напълно и роторът се превръща в клетка с катерица (виж — Асинхронни двигатели с навит ротор).

На корпуса на статора има клемна платка. Намотките на статора се извеждат към тях. Те могат да бъдат включени звезда или триъгълник, в зависимост от мрежовото напрежение: в първия случай мрежовото напрежение може да бъде 1,73 пъти по -високо от второто.

Стойността, характеризираща относителното забавяне на ротора в сравнение със статорното поле на асинхронния двигател, се нарича подхлъзване… Той се променя от 100% (в момента на стартиране на двигателя) до нула (идеален случай на движение на ротора без загуби).

Обръщането на посоката на въртене на асинхронния двигател се постига чрез взаимно превключване на всеки два линейни проводника на електрическата мрежа, захранваща двигателя.

Двигателите с катерична клетка се използват широко в промишлеността. Предимствата на асинхронните двигатели са простотата на дизайна и липсата на плъзгащи се контакти.

Доскоро основният недостатък на такива двигатели беше трудността при регулиране на скоростта, т.к ако за това се промени напрежението на статорната верига, тогава въртящият момент се променя рязко, но беше технически трудно да се промени честотата на захранващия ток. Понастоящем съвременните микропроцесорни устройства се използват широко за контрол на честотата на захранващия ток за промяна на скоростта на двигателите — честотни преобразуватели.

Алтернатори

Алтернаторите са изградени за значителна мощност и високо напрежение. Подобно на асинхронните машини, те имат две намотки. Обикновено намотката на котвата се намира в корпуса на статора. Индукторите, които създават първичен магнитен поток, са монтирани на ротора и се захранват от възбудител — малък DC генератор, монтиран на вала на ротора. При мощни машини възбуждането понякога се създава чрез коригирано променливо напрежение.

Поради неподвижността на намотката на котвата техническите трудности, свързани с използването на плъзгащи се контакти при големи мощности, изчезват.

Фигурата по-долу показва схема на еднофазен генератор. Роторът му има осем полюса. На тях са навити бобини (не са показани на фигурата), захранвани от външен източник чрез постоянен ток, подаван към приплъзващи пръстени, монтирани на вала на ротора. Полюсните бобини са навити по такъв начин, че знаците на полюсите, обърнати към статора, се редуват. Броят на полюсите е задължително четен.

Намотката на арматурата е разположена в корпуса на статора. Неговите дълги работещи «активни» проводници, перпендикулярни на равнината на чертежа, са показани на фигурата с кръгове, те се пресичат от линиите на магнитна индукция, когато роторът се върти.

Кръговете показват моменталното разпределение на посоките на индуцираните електрически полета. Свързващите проводници, минаващи по предната страна на статора, са показани с плътни линии, а от задната страна с пунктирани линии. Скоби K се използват за свързване на външна верига към намотката на статора. Посоката на въртене на ротора е обозначена със стрелка.

Ако умствено изрежете машината по радиус, преминаващ между скобите К, и я превърнете в равнина, тогава относителното положение на намотката на статора и полюсите на ротора (отстрани и план) ще бъде изобразено със схематичен чертеж:

Като се има предвид фигурата, ние се уверяваме, че всички активни проводници (преминаващи през полюсите на индуктора) са свързани помежду си последователно и индуцираната в тях ЕМП се сумира. Фазите на всички ЕМП очевидно са еднакви. По време на едно пълно завъртане на ротора във всеки от проводниците (и следователно във външната верига) ще бъдат получени четири пълни периода на промяна на тока.

Ако електрическата машина има стр двойки полюси и роторът се върти, което прави н обороти в секунда, тогава честотата на променливия ток, получен от машината, е f = pn hz.

Тъй като честотата на ЕМП в мрежата трябва да бъде постоянна, скоростта на въртене на роторите трябва да бъде постоянна. За да се получи ЕМП с техническа честота (50 Hz), може да се използва относително бавно въртене, ако броят на полюсите на ротора е достатъчно голям.

За да се получи трифазен ток, в тялото на статора се поставят три отделни намотки. Всеки от тях е изместен спрямо другите два с една трета от разстоянието на дъгата между съседни (противоположни) полюси на индукторите.

Лесно е да се провери, че когато индукторите се въртят, ЕМП се индуцират в намотките, изместени във фаза (във времето) със 120 °. Краищата на намотките се отстраняват от машината и могат да бъдат свързани в звезда или триъгълник.

В генератора относителната скорост на полето и проводника се определя от диаметъра на ротора, броя на оборотите на ротора в секунда и броя на двойките полюси.

Ако генераторът се задвижва от воден ток (хидрогенератор), той обикновено се прави с бавни обороти. За да се получи желаната честота на тока, е необходимо да се увеличи броят на полюсите, което от своя страна изисква увеличаване на диаметъра на ротора.

По редица технически причини мощни хидрогенератори те обикновено имат вертикален вал и са разположени над хидравличната турбина, което ги кара да се въртят.

Генератори, задвижвани от парни турбини — турбинните генератори обикновено са високоскоростни. За да намалят механичните сили, те имат малки диаметри и съответно малък брой полюси.Редица технически съображения налагат производството на турбинни генератори с хоризонтален вал.

Ако генераторът се задвижва от двигател с вътрешно горене, той се нарича дизелов генератор, тъй като дизеловите двигатели обикновено се използват като двигатели, които консумират по -евтино гориво.

Обратимост на генератора, синхронни двигатели

Ако към намотката на статора на генератора се приложи променливо напрежение от външен източник, тогава ще има взаимодействие на полюсите на индуктора с магнитното поле на тока, генериран в статора, и въртящите моменти от същата посока ще действат на всички полюси.

Ако роторът се върти с такава скорост, че малко след половината период на променливия ток, следващият полюс на индуктора (противоположен по знак на първия полюс) ще се побере под разглеждания проводник на намотката на статора, тогава знакът на силата на взаимодействие между него и тока, който е променил посоката си, ще останат същите.

При тези условия роторът, намиращ се под непрекъснатото влияние на въртящия момент, ще продължи да се движи и ще може да задвижва всеки механизъм. Преодоляването на съпротивлението на движението на ротора ще се случи поради енергията, консумирана от мрежата, и генераторът ще се превърне в електродвигател.

Трябва да се отбележи обаче, че непрекъснатото движение е възможно само при строго определена скорост на въртене, тъй като при отклонение от него ускоряващ момент ще действа частично върху всеки от полюсите на ротора, движещ се между двата проводника на статора, част от времето — спиране.

По този начин скоростта на въртене на двигателя трябва да бъде строго определена, — времето, през което полюсът се заменя със следващия, трябва да съвпада с полупериода на тока, поради което такива двигатели се наричат синхронно.

Ако се приложи променливо напрежение към намотката на статора с неподвижен ротор, тогава, въпреки че всички полюси на ротора през първия полупериод на тока изпитват действието на въртящите моменти от същия знак, все пак поради инерцията роторът няма да има време да се движи. В следващия полупериод знакът на въртящите моменти за всички полюси на ротора ще се промени на обратното.

В резултат на това роторът ще вибрира, но няма да може да се върти. Следователно синхронният двигател първо трябва да се развие, тоест да се доведе до нормалния брой обороти и едва след това да се включи токът в намотката на статора.

Развиването на синхронните двигатели се извършва по механични методи (при ниски мощности) и специални електрически устройства (при високи мощности).

При малки промени в натоварването скоростта на двигателя автоматично ще се промени, за да се адаптира към новия товар. Така че, с увеличаване на натоварването на вала на двигателя, роторът незабавно се забавя. Поради това се променя фазовото изместване между мрежовото напрежение и противоположната индукционна ЕМП, индуцирана от индуктора в намотката на статора.

В допълнение, реакцията на котвата създава размагнитване на индукторите, така че токът в статора се увеличава, индукторите изпитват увеличен въртящ момент и двигателят започва да се върти отново синхронно, преодолявайки увеличения товар. Подобен процес протича с намаляване на натоварването.

При резки колебания в натоварването тази адаптивност на двигателя може да се окаже недостатъчна, скоростта му ще се промени значително, той ще «изпадне от синхронизма» и в крайна сметка ще спре, докато индукционният ЕМП, индуциран в статора, изчезва, а токът в него рязко се увеличава. Следователно трябва да се избягват резки колебания в натоварването. За да спрете двигателя, очевидно първо трябва да изключите веригата на статора и след това да изключите дроселите; когато стартирате двигателя, трябва да се придържате към обратния ред на операциите.

Синхронните двигатели най -често се използват за задвижване на механизми, които работят с постоянна скорост. Тук се разглеждат предимствата и недостатъците на синхронните двигатели, както и методите за тяхното стартиране: Синхронни двигатели и техните приложения

Образователна филмова лента — „Синхронни двигатели“, създадена от фабриката за учебно -визуални помагала през 1966г. Можете да го гледате тук: Филмова лента «Синхронен двигател»