Электрические машины Все электрические машины можно классифицировать

Электрические машины

Все электрические машины можно классифицировать по ряду признаков. 1. По назначению: Электрические генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, Электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, Электромашинные преобразователи, преобразующие переменный ток в постоянный и наоборот, изменяющие величину напряжения, частоту и число фаз, Электромашинные компенсаторы, осуществляющие генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приёмников электроэнергии, Электромеханические преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы. 2. По роду тока: Электрические машины постоянного тока, Электрические машины переменного тока: синхронные, асинхронные, 3. По мощности: Микромашины – до 500 Вт, Машины малой мощности – от 0, 5 к. Вт до 10 к. Вт, Машины средней мощности – от 10 к. Вт до 100 к. Вт, Машины большой мощности – свыше 100 к. Вт. 4. По частоте вращения: Тихоходные – до 300 об/мин, Средней быстроходности – от 300 об/мин до 1500 об/мин, Быстроходные – от 1500 об/мин до 6000 об/мин, Сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин. 5. По степени защиты: Открытое исполнение (соответствует степени защиты IP 00), Защищенное ( IP 21, IP 22), Брызгозащищенное и каплезащищенное (IP 23, IP 24), Водозащищенное (IP 55, IP 56), Пылезащищенное (IP 65, IP 66), Закрытое (IP 44, IP 54), Герметичное (IP 67, IP 68).

6. По группе эксплуатации Каждая электрическая машина относится к какой либо группе эксплуатации, обозначаемая М 1 М 31. Указанная группа характеризует приспособленность машины к вибрации с определенной частотой, к ускорениям и ударам. В основном, машины общего назначения относятся к группе М 1, предусматривающей размещение на стенах или фундаментах при отсутствии ударных нагрузок. 7. По продолжительности и особенности работы машины. Продолжительность и особенности работы машины характеризуется режимом работы, который указывается в паспорте и обозначается буквой S и цифрой от 1 до 8. Описание режимов работы приводится в нормативных документах. Например, S 1 – продолжительный режим, при котором машина успевает нагреться до установленной температуры. Режим работы имеет значение при выборе электродвигателей для привода различных механизмов. На рисунке ниже представлена основная классификация электрических машин по роду тока, принципу действия и типу возбуждения.

8. По способу монтажа. Исполнение электрической машины по способу монтажа обозначается буквами IМ и четырьмя цифрами, например, IМ 1001, IМ 3001 и др. Первая цифра характеризует конструктивное исполнение машины (на лапах – для установки на горизонтальной поверхности, электрические машины с фланцем – для крепления к вертикальной поверхности и т. д. Далее двумя цифрами обозначается способ монтажа и направление конца вала машины, а последняя цифра указывает на исполнение конца вала (цилиндрический, конический и пр. ) Основные показатели и характеристики электрической машины, на которые она рассчитана, называются номинальными и указываются на паспортной табличке, прикрепленной к корпусу машины. Машиной постоянного тока в соответствии с общепринятой терминологией называют двухобмоточную электрическую машину, одна из обмоток которой (обмотка якоря) соединяется с электрической сетью постоянного тока с помощью механического преобразователя частоты, преобразующего переменный ток в якоре в постоянный ток в сети, а вторая (обмотка возбуждения) питается постоянным током. Коллекторная машина постоянного тока, с обмоткой якоря, присоединенной к коллектору, и магнитными полюсами, имеющими возбуждение от источника постоянного тока, или которые сами являются постоянными магнитами. Для преобразования переменного тока, индуктируемого в якоре машины постоянного тока, часто используется вместо механического преобразователя частоты полупроводниковый преобразователь частоты, в котором используются управляемые и неуправляемые полупроводниковые вентили. Такие электрические машины постоянного тока получили название вентильных. В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов: с независимым, параллельным, последовательным, смешанным возбуждением. Асинхронной машиной называется электрическая машина, одна из обмоток которой, обычно трехфазная, присоединена к электрической сети или специальному преобразователю, а вторая выполнена короткозамкнутой (беличья клетка) или фазной, замкнутой на сопротивления. В асинхронных (несинхронных) машинах частота вращения ротора ωr, не равна частоте вращения поля ωп. Асинхронные машины широко используют в качестве электродвигателей трехфазного тока. Коллекторный двигатель переменного тока, у которого обмотка якоря соединена с коллектором и включена в цепь переменного тока. В настоящее время применяются главным образом в электробытовых приборах.

Синхронной машиной называется двухобмоточная электрическая мащина переменного тока, одна из обмоток которой присоединена к электрической сети с постоянной частотой f, вторая возбуждается постоянным током. С помощью синхронных трехфазных турбогенераторов и гидрогенераторов производится преобладающая часть электрической энергии. Реактивный двигатель синхронный двигатель без обмотки возбуждения или постоянных магнитов, у которого ротор имеет выступы, играющие роль ярковыраженных полюсов, такой двигатель обычно снабжен короткозамкнутой клеткой, позволяющей пускать его как асинхронный двигатель. Гистерезисный электродвигатель неявнополюсный синхронный электродвигатель без обмотки возбуждения, ротор которого выполнен из магнитного материала с большим остаточным намагничиванием, пуск в ход которого осуществляется за счет потерь на гистерезис в роторе. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором состоит из следующих основных частей: статор с трехфазной обмоткой, ротор с короткозамкнутой обмоткой и остов. Обмотка ротора выполнена бесконтактной (она не соединена ни с какой внешней цепью), что определяет высокую надежность такого двигателя.

Магнитная система. Асинхронная машина в отличие от машины постоянного тока не имеет явно выраженных полюсов. Такую магнитную систему называют неявнополюсной. Число полюсов в машине определяется числом катушек в обмотке статора и схемой их соединения. В четырехполюсной машине магнитная система состоит из четырех одинаковых ветвей, по каждой из которых проходит половина магнитного потока Фп одного полюса, в двухполюсной машине таких ветвей две, в шестиполюсной — шесть и т. д. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: 1 — остов; 2 — статор; 3 — ротор; 4 — стержни обмотки ротора; 5 — подшипниковый щит; 6 — вентиляционные лопатки ротора; 7 — вентилятор; 8 — коробка выводов Магнитное поле четырехполюсной асинхронной машины

Так как через все элементы магнитной системы проходит переменный магнитный поток, то не только ротор 1, но и статор 2 выполняют из листов электротехнической стали, изолированных один от другого изоляционной лаковой пленкой, окалиной и пр. В результате этого уменьшается вредное действие вихревых токов, возникающих в стали статора и ротора при вращении магнитного поля. Листы статора и ротора имеют пазы открытой, полузакрытой или закрытой формы, в которых располагаются проводники соответствующих обмоток. В статоре чаще всего применяют полузакрытые пазы прямоугольной или овальной формы, в машинах большой мощности — открытые пазы прямоугольной формы.

Сердечник статора 1 запрессовывают в литой остов 3 и укрепляют стопорными винтами. Сердечник ротора напрессовывают на вал ротора, который вращается в шариковых подшипниках, установленных в двух подшипниковых щитах. Воздушный зазор между статором и ротором имеет минимальный размер, допускаемый с точки зрения точности сборки и механической жесткости конструкции. В двигателях малой и средней мощности воздушный зазор обычно составляет несколько десятых миллиметра. Такой зазор обеспечивает уменьшение магнитного сопротивления магнитной цепи машины, а следовательно, и уменьшение намагничивающего тока, требуемого для создания в двигателе магнитного потока. Снижение намагничивающего тока позволяет повысить коэффициент мощности двигателя.

Обмотка статора. Она выполнена в виде ряда катушек из проволоки круглого или прямоугольного сечения. Проводники, находящиеся в пазах, соединяются, образуя ряд катушек 2. Катушки разбивают на одинаковые группы по числу фаз, которые располагают симметрично вдоль окружности статора или ротора. В каждой такой группе все катушки электрически соединяются, образуя одну фазу обмотки, т. е. отдельную электрическую цепь. При больших значениях фазного тока или при необходимости переключения отдельных катушек фазы могут иметь несколько параллельных ветвей. Простейшим элементом обмотки является виток, состоящий из двух проводников 1 и 2, размещенных в пазах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии у. Это расстояние приблизительно равно одному полюсному делению т, под которым понимают длину дуги, соответствующую одному полюсу. Обычно витки, образованные проводниками, лежащими в одних и тех же пазах, объединяют в одну или две катушки. Иногда их называют секциями. Их укладывают таким образом, что в каждом пазу размещается одна сторона катушки или две стороны — одна над другой. В соответствии с этим различают одно и двухслойные обмотки. Основным параметром, определяющим распределение обмотки по пазам, является число пазов q на полюс и фазу. В обмотке статора двухполюсного двигателя каждая фаза (А Х; B Y; C Z) состоит из трех катушек, стороны которых расположены в трех смежных пазах, т. е. q = 3. Обычно q > 1, такая обмотка называется распределенной.

Наибольшее распространение получили двухслойные распределенные обмотки. Их секции 1 (а) укладывают в пазы 2 статора в два слоя. Проводники обмотки статора укрепляют в пазах текстолитовыми клиньями 5 (б), которые закладывают у головок зубцов. Стенки паза покрывают листовым изоляционным материалом 4 (электрокартоном, лакотканью и пр. ). Проводники, лежащие в пазах, соединяют друг с другом соответствующим образом с торцовых сторон машины. Соединяющие их провода называют лобовыми частями. Так как лобовые части не принимают участия в индуцировании э. д. с, их выполняют как можно короче. Отдельные катушки обмотки статора могут соединяться «звездой» или «треугольником» . Начала и концы обмоток каждой фазы выводят к шести зажимам двигателя.

Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки (а). Она сделана из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (б). Стержни этой обмотки вставляют в пазы ротора без какой либо изоляции, так как напряжение в короткозамкнутой обмотке ротора равно нулю. Пазы короткозамкнутого ротора обычно выполняют полузакрытыми, а в машинах малой мощности — закрытыми (паз имеет стальной ободок, отделяющий его от воздушного зазора). Такая форма паза позволяет хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивает ее индуктивное сопротивление. В двигателях мощностью до 100 к. Вт стержни беличьей клетки обычно получают путем заливки расплавленного алюминия в пазы сердечника ротора (в). Вместе со стержнями беличьей клетки отливают и соединяющие их торцовые коротко замыкающие кольца. Для этой цели пригоден алюминий, так как он обладает малой плотностью, достаточно высокой электропроводностью и легко плавится. Короткозамкнутый ротор: а — беличья клетка; б — ротор с беличьей клеткой из стержней; в — ротор с литой беличьей клеткой; 1 — короткозамыкающие кольца; 2— стержни; 3— вал; 4 — сердечник ротора; 5 — вентиляционные лопасти; 6 — стержни литой клетки

Обычно двигатели имеют вентиляторы, насаженные на вал ротора. Они осуществляют принудительную вентиляцию нагретых частей машины (обмоток и стали статора и ротора), позволяя получить от двигателя большую мощность. В двигателях с короткозамкнутым ротором лопасти вентилятора часто отливают совместно с боковыми кольцами беличьей клетки. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором просты по конструкции, надежны в эксплуатации. Их широко применяют для привода металлообрабатывающих станков и других устройств, которые начинают работать без нагрузки. Однако сравнительно малый пусковой момент у этих двигателей и большой пусковой ток не позволяют использовать их для привода таких машин и механизмов, которые должны пускаться в ход сразу под большой нагрузкой (с большим пусковым моментом). К таким машинам относятся грузоподъемные устройства, компрессоры и др. Увеличить пусковой момент и уменьшить пусковой ток можно при выполнении беличьей клетки с повышенным активным сопротивлением. При этом двигатель будет иметь увеличенное скольжение и большие потери мощности в обмотке ротора. Такие двигатели называют двигателями с повышенным скольжением (обозначаются АС). Их можно использовать для привода машин, работающих сравнительно небольшое время. На э. п. с. переменного тока эти двигатели (со скольжением до 10%) применяют для привода компрессоров, которые работают периодически в течение коротких промежутков времени при уменьшении давления в воздушных резервуарах ниже определенного предела.

Двигатели с повышенным пусковым моментом. Короткозамкнутые асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом имеют специальную конструкцию ротора (обозначаются АП). К ним относятся двигатели с двойной беличьей клеткой и двигатели с глубокими пазами. Ротор 3 двигателя с двойной беличьей клеткой имеет две короткозамкнутые обмотки. Наружная клетка 1 является пусковой. Она обладает большим активным и малым реактивным сопротивлениями. Внутренняя клетка 2 является основной обмоткой ротора; она, наоборот, обладает незначительным активным и большим реактивным сопротивлениями. В начальный момент пуска ток проходит, главным образом, по наружной клетке, которая создает значительный вращающий момент. По мере увеличения частоты вращения ток переходит во внутреннюю клетку, и по окончании процесса пуска машина работает как обычный короткозамкнутый двигатель с одной (внутренней) клеткой. Вытеснение тока в наружную клетку в начальный момент пуска объясняется действием, э. д. с. самоиндукции, индуцируемой в проводниках ротора. Чем ниже расположен в пазу проводник, тем большим магнитным потоком рассеяния 6 он охватывается и тем большая э. д. с. самоиндукции в нем индуцируется, следовательно, тем большее он будет иметь индуктивное сопротивление.

Асинхронные электродвигатели Внедрение в технику трехфазного тока позволило со здать простой по устройству и удобный в эксплуатации электродвигатель, который получил название асинхронно го электродвигателя. Устройство асинхронного электродвигателя основано на использовании вращающегося магнитного поля. Если во вращающееся магнитное поле поместить замкнутый про водникв виде рамки, укрепленной на оси, то магнитное поле при своем вращении пересечет стороны рамки, при этом в них будет индуцироваться ЭДС индукции, которая создаст в рамке индукционный ток. Магнитное поле индук ционного тока, взаимодействуя с магнитным вращающим ся полем, приведет рамку во вращение в направлении вра щения поля. По мере того как скорость вращения рамки приближается к скорости вращения магнитного поля, скорость изменения пронизывающего ее магнитного потока уменьшается, поэто му уменьшается ЭДС индукции и сила тока в рамке. Если допустить, что рамка достигла скорости вращения поля, то ЭДС индукции, а следовательно, и сила тока в ней будут равны нулю и момент сил, действующих на рамку, тоже станет равен нулю. Поэтому рамка, всегда находяща яся под действием момента сил сопротивления (например, трения), начнет останавливаться. Вследствие уменьшения скорости вращения рамки снова возрастет скорость измене ния магнитного потока и вращающий момент, который при равномерном вращении всегда равен моменту силы сопро тивления. Поэтому скорость вращения рамки во вращаю щемся магнитном поле всегда меньше скорости вращения поля, т. е. рамка вращается несинхронно с полем. Электро двигатель, в котором вращающееся магнитное поле взаимо действует с током в обмотках ротора, индуцированным этим же магнитным полем, называют асинхронным (неодновре менным). Трехфазные асинхронные двигатели состоят из двух ос новныхчастей: неподвижной части статора, и вращаю щейся части ротора. Вращающееся магнитное поле создается в двигателе не путем механического вращения магнитных полюсов, а при обтекании переменным трехфазным током неподвижных обмоток статора. Если во вращающееся магнитное поле статора помес титьна оси железный цилиндр (ротор), то в его теле, прони зываемом вращающимся полем, будут возникать индукци онные токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся по лем, вызовут вращение ротора в направлении вращения поля со скоростью, меньшей скорости вращения поля.

Чтобы увеличить вращающий момент двигателя и умень шитьпотери энергии на нагревание двигателя, необходимо, чтобы токи индуцировались не во всей толще ротора, а толь кона его поверхности. Для этого тело ротора делается не в виде сплошного цилиндра, а из отдельных стальных пластин толщиной 0, 3— 0, 5 мм, изолированных друг от друга лаком или папиросной бумагой. В выштампованных пазах этих пластин укладываются медные или алюминиевые стержни. Эти стержни с обоих концов по торцам впаивают ся в кольца, вследствие чего сам ротор называ етсякороткозамкнутым, и так как его обмотка, взятая отдельно от тела ротора, имеет вид беличьего колеса то этот простейший вид роторной обмотки называется беличьим колесом. Асинхронный короткозамкнутый двигатель является очень простым и надежным двигателем: он лишен коллектора или скользящих контактов; этим обусловлено его широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. Изменение направления вращения двигателя достигается простым переключением двух каких либо проводов, соединяющих обмотки статора.

Электродвигатель постоянного тока Явление движения проводника с током в постоянном магнитном поле используется в устройстве двигателя постоянного тока, т. е. для превращения электрической энергии в механическую. Простейший электрический двигатель устроен следую щимобразом. Расположим катушку в магнитном поле дуго образного магнита так, чтобы плоскость ее витков совпадала с направлением магнитных линий, и подключим катушку к источнику тока. Так катушка представляет со бой ряд соединенных между собой проволочных рамок (витков), то в магнитном поле она повернется и после нескольких качаний остановится в таком положении, что плоскость ее витков окажется перпендикулярной к направлению магнитных линий. Чтобы повернуть ка тушку еще раз на 180°, надо изменить направление тока в катушке в тот момент, ког да она уже прошла положение равновесия. Значит, если бы удалось в нужные моменты менять направление тока в ка тушке, катушка стала бы вращаться в магнитном поле все время, пока в ней имеется ток. Для автоматической перемены направления тока приме няетсяколлектор. Простейший коллектор состоит из двух полуколец (полуцилиндров), помещенных на ту же ось, на которой находится рамка. Ток к полукольцам подводится при помощи двух пластинок (щеток), касающихся полуко лец. При вращении рамки вместе с нею вращаются и укреп ленные на оси полукольца. Если к щетке D подходит полукольцо М (рис. 29, а), то ток в рамке идет от М к N, и катушка поворачивается на 180°. При этом положении (рис. 30, б) к щетке D подходит полуколь цо N, и ток в рамке идет от N К М, вследствие чего делает новый поворот на 180° и т. д. Получается непрерывное вращение. Не показанные на рисунке магнитные линии направлены сверху вниз. Магнитное поле действует на рамку с наибольшей силой, когда плоскость рамки расположена вдоль магнитных линий поля. Когда плоскость рамки перпендикулярна к магнитным линиям поля, катушка вращается только по инерции. Вращение рамки происходит толчками.

Чтобы сделать вращение более равномерным, можно взять не одну рамку, а две, расположив их перпендикулярно друг к другу, или, как это делается в промышленном двигателе, расположить несколько катушек не в одной плоскости, а по окружности цилиндра. Система таких катушек, расположенных определенным образом на железном цилиндре, составляет якорь двигателя. Магнитное поле, в котором вращается якорь такого двигателя, создается сильным электромагнитом, получающим ток от того же источника, что и обмотки якоря. Пока идет ток, якорь вращается. Насадив на ось якоря шкив или соединив ось якоря с осью какой либо машины, можно вращение якоря передать любой машине и привести ее в движение. Таким образом, за счет энергии элект рического тока совершается механическая работа.