ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Асинхронная машина

Устройство асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей, разделенных воздушным зазором: неподвижного статора и вращающегося ротора. Каждая из этих частей имеет сердечник и обмотку. При этом обмотка статора включается в сеть и является как бы первичной, а обмотка ротора — вторичной, так как энергия в нее поступает из обмотки статора за счет магнитной связи между этими обмотками.

По своей конструкции асинхронные двигатели разделяются на два вида: двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Рассмотрим устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис. 1). Двигатели этого вида имеют наиболее широкое применение.

Неподвижная часть двигателя – статор состоит из корпуса 11 и сердечника 10 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или из чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер, назначение которых состоит в том, чтобы увеличить поверхность охлаждения двигателя.

Рис. 1. Устройство трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

1 - вал; 2, 6 - подшипники; 3, 7 — подшипниковые шиты; 4 - коробка выводов; 5 - вентилятор; 8 - кожух вентилятора; 9 - сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой; 10 - сердечник статора с обмоткой; 11 - корпус; 12 – лапы.

В корпусе расположен сердечник статора 10, имеющий шихтованную конструкцию: отштампованные листы из тонколистовой электротехнической стали толщиной обычно 0, 5 мм покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам.

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя - ротор, состоящий из вала 1 и сердечника 9 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка, называемая «беличье колесо», представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами (рис. 2, а). Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Например, при частоте сети 50 Гц и номинальном скольжении 6% частота перемагничивания сердечника ротора составляет 3 Гц.

Рис. 2. Короткозамкнутый ротор:

а - обмотка «беличья клетка», б - ротор с обмоткой, выполненной методом литья под давлением; 1 - вал; 2 - короткозамыкающие кольца; 3 - вентиляционные лопатки

Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рис. 2, б).

Вал ротора вращается в подшипниках качения 2 и 6, расположенных в подшипниковых щитах 3 и 7.

Рис. 3. Расположение выводов обмотки статора (а) и положение перемычек при соединении обмотки статора звездой и треугольником (б)

Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 5, прикрытым кожухом 8. На торцовой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Двигатели мощностью 15 кВт и более помимо закрытого делают еще и защищенного исполнения с внутренней самовентиляцией. В подшипниковых щитах этих двигателей имеются отверстия (жалюзи), через которые воздух посредством вентилятора прогоняется через внутреннюю полость двигателя. При этом воздух «омывает» нагретые части обмотки, сердечники двигателя и охлаждение получается более эффективным, чем при наружном обдуве.

Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 4. Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних (рис. 3). В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).

Рис. 4. Принципиальные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором

Монтаж двигателя в месте его установки осуществляется либо средством лап 12 (см. рис. 1), либо посредством фланца. В последнем случае на подшипниковом щите (обычно со стороны выступающего конца вала) делают фланец с отверстиями для крепления двигателя на рабочей машине. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления (не менее двух). Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором показана на рис. 4, а. Другая разновидность трехфазных асинхронных двигателей - двигатели с фазным ротором - конструктивно отличается от рассмотренного двигателя главным образом устройством ротора (рис. 5). Статор этого двигателя также состоит из корпуса 3 и сердечника 4 с трехфазной обмоткой. У него имеются подшипниковые щиты 2 и 6 с подшипниками качения 1 и 7. К корпусу 3 прикреплены лапы 10 и коробка выводов 9. Однако ротор имеет более сложную конструкцию. На валу 8 закреплен шихтованный сердечник 5 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а ее концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, расположенным на валу и изолированным друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо 1 (рис. 6) накладывают обычно две щетки 2, располагаемые в щеткодержателях 3. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием.

Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рис. 4, б. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом ПР, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление R_ДОБ.

На корпусе асинхронного двигателя прикреплена табличка, на торой указаны тип двигателя, завод-изготовитель, год выпуска и номинальные данные (полезная мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения и КПД).

Рис. 5. Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором.

1, 7 – подшипники; 2, 6 – подшипниковые щиты; 3 – корпус; 4 – сердечник статора с обмоткой; 5 – сердечник ротора; 8 – вал; 9 – коробка выводов; 10 – лапы; 11 – контактные кольца.

Рис. 6. Расположение щеткодержателей

Машина постоянного тока

Устройство коллекторной машины постоянного тока

В настоящее время электромашиностроительные заводы изготовляют электрические машины постоянного тока, предназначенные для работы в самых различных отраслях промышленности, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конструкцию, но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающаяся часть - якорем (рис. 13).

Рис. 13. Устройство машины постоянного тока

Статор. Состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Станина 6 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали - материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 4. Обычно станину делают цельной из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключением машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и монтаж машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника 6 и полюсной катушки 5. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1 - 2 мм или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока, вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницаемость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.

В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными - намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку (рис. 14, а). В большинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса (рис. 14, б). В некоторых конструкциях машин полюсную катушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.

Якорь. Якорь машины постоянного тока (рис. 13) состоит из вала 10, сердечника 3 с обмоткой и коллектора 1. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотку выполняют медным проводом круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части 9 обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

Коллектор 1 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе. На рис. 15, а показано устройство коллектора со стальными конусными шайбами. Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 5, изолированными от медных пластин миканитовыми манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Между медными пластинами расположены миканитовые изоляционные прокладки. В процессе работы машины рабочая поверхность коллектора постепенно истирается щетками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью коллектора, что вызвало бы вибрацию щеток и нарушение работы машины, между коллекторными пластинами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1, 5 мм (рис. 15, б). Верхняя часть 5 коллекторных пластин (см. рис. 15, а), называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в который закладывают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.

Рис. 14. Главные полюсы с бескаркасной (а) и каркасной (б) полюсными катушками: 1 - станина, 2 - сердечник полюса, 3 - полюсная катушка

Рис. 15. Устройство коллектора с конусными шайбами

Рис. 16. Устройство коллектора на пластмассе

Рис. 17. Щеткодержатель (сдвоенный) машины постоянного тока

В машинах постоянного тока малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в изготовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой, запрессованной в пространство между набором пластин и стальной втулкой 4 и образующей корпус коллектора. Иногда с целью увеличения прочности коллектора эту пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3 (рис. 16). В этом случае миканитовые прокладки должны иметь размеры большие, чем у медных пластин 1, что исключит замыкание пластин стальными (армирующими) кольцами 3.

Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, располагаемых в щеткодержателях 4 (см. рис. 13).

Щеткодержатель (рис. 17) состоит из обоймы 4, в которую помещают щетку 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается гибким тросиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины. Одно из основных условий бесперебойной работы машины - плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим — искрение на коллекторе.

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 12 (со стороны коллектора) и задний 7 (см. рис. 13). В центральной части щита имеется расточка под подшипник. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 8 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Из рассмотрения принципа действия и устройства коллекторной машины постоянного тока следует, что непременным элементом этой машины, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточно-коллекторный узел - механический преобразователь рода тока. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асинхронной машине) в надежности и имеют более высокую стоимость.

ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Замечательной особенностью многофазных токов является их способность создавать вращающееся магнитное поле.

Рассмотрим процесс получения вращающегося магнитного поля при помощи трехфазного тока. Для этой цели поместим в пазы стального кольца (статора) три однофазные обмотки (катушки), сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 120° (рис. 185). Начала катушек обозначим буквами А, В, С, концы катушек - X, У, Z. Соединим катушки по схеме «звезда» или «треугольник» (на чертеже соединение не показано) и включим катушки в сеть трехфазного тока. Так как обмотки статора представляют собой симметричную нагрузку (величина и характер нагрузки одинаковы), то токи в катушках будут равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°.

Кривые токов в отдельных катушках даны на рис. 186. Условно будем считать токи положительными, если в данный момент времени они будут направлены от начала катушки к ее концу и, наоборот, токи считать отрицательными, если направление их будет от конца катушки к ее началу.

Рассмотрим момент времени а на рис. 186. В этот момент ток i_A равен нулю. Ток i_C имеет положительное значение, а ток i_B - отрицательное значение.

На рис. 185, а показаны направления токов в проводниках катушек, соответствующие такому же моменту времени а на рис. 186. Магнитное поле статора показано на рис. 185, а пунктирными линиями.

Как видно из чертежа, поле статора имеет два полюса - северный N и южный S или одну пару полюсов, т. е. р = 1, где р - число пар полюсов поля статора.

Рис. 185. Получение вращающегося магнитного поля при помощи трех катушек

Рис. 186. Кривые токов в отдельных катушках

Рис. 187. Получение вращающегося магнитного поля при помощи шести катушек

Рассмотрим на рис. 186 момент времени б. В этот момент ток i_A будет иметь максимальное положительное значение, а токи i_B и i_C равные половине максимального значения, будут отрицательны.

Обозначаем направление тока в проводниках катушек рис. 185, б, намечаем путь магнитных линий и убеждаемся в том, что за время от момента а до момента б, соответствующее углу 90° (т. е. 1/4 периода), магнитное поле статора повернулось также на 90°. Проделав то же самое для момента в, замечаем, что за время от момента а до момента в, соответствующее углу 180° (1/2 периода), магнитное поле статора повернулось также на 180° (рис. 185, в).

Таким образом, трехфазный ток, проходящий по трем катушкам, сдвинутым в пространстве на 120°, образовал вращающееся магнитное поле. Мы разобрали только три случая, но если продолжить построения дальше, то легко убедиться, что за время одного периода (360°) магнитное поле статора также повернется на 360°.

Если число периодов в 1 сек, или частота переменного тока, равно f, то скорость вращения поля статора n₀ будет также равна f об/сек, или f·60 об/мин:

об/мин.

Необходимо обратить внимание на то, что последняя формула для определения скорости вращения поля справедлива - только в том случае, если на статоре расположены три катушки, которые совместно создают поле с двумя полюсами, т. е. если р = 1.

Расположим на статоре шесть катушек (рис. 187). В этом случае каждая фаза будет состоять из двух катушек. Начала катушек первой фазы обозначим А₁ и A₂, концы катушек той же фазы – Х₁ и Х₂. Для второй фазы соответственно: В₁ – Y₁ и В₂ – Y₂. Для третьей фазы: С₁– Z₁ и С₂– Z₂.

Сдвиг в пространстве между фазными катушками составит уже не 120° а 60°. Выбирая те же моменты времени а, б и в на рис. 186 и производя те же построения, как было указано выше, мы получим картину магнитного поля статора, изображенную на рис. 187, а, б, в.

Здесь видно, что шесть катушек статора образовали поле с четырьмя полюсами, т. е. р = 2, и за то же время угол поворота поля получается в два раза меньше, чем при р = 1.

Таким образом, скорость вращения поля статора n₀ может быть определена по формуле

Из последнего выражения видно, что, применяя повышенную частоту тока, мы при тех же значениях р получим увеличение скорости поля. Наоборот, размещая на статоре большее число катушек, мы получим большее число пар полюсов поля статора и при тех же значениях частоты тока f скорость вращения поля будет меньше.

Направление вращения поля статора можно изменить на обратное, если поменять местами два любых провода из трех идущих от сети к обмоткам статора.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое трехфазным током, получило на практике широкое применение в устройстве двигателей переменного тока.

Коллекторные двигатели

Основные понятия

Коллекторные машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент M, который является не тормозящим, как это имело место в генераторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента якоря машина начнет вращаться, т. е. машина будет работать в режиме двигателя, потребляя из сети электрическую энергию и преобразуя ее в механическую. В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС Е_A, направление которой можно определить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока I_A, и поэтому ее называют противо - электродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рис. 29.1).

Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения,

(1)

Из (1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (1) ток якоря

(2)

Умножив обе части уравнения (1) на ток якоря I_A, получим уравнение мощности для цепи якоря:

(3)

где UI_a - мощность в цепи обмотки якоря; - мощность электрических потерь в цепи якоря.

Для выяснения сущности выражения E_aI_a проделаем следующее преобразование:

Причем

тогда

(4)

где - угловая частота вращения якоря; Р_ЭМ — электромагнитная мощность двигателя.

Рис. 29.1. Направление противо-ЭДС в обмотке якоря двигателя.

Следовательно, выражение E_aI_a представляет собой электромагнитную мощность двигателя. Преобразовав выражение (3) с учетом (4), получим

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением нагрузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря, т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря I_A.

В соответствии с формулой ЭДС частота вращения двигателя (об/мин)

Подставив значение Е_a из (1), получим (об/мин)

(5)

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем, что повышение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности ( ); это, в свою очередь, ведет к росту тока I_a. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.