Вращающаяся часть электрической машины переменного тока
Электрические машины переменного тока
Электрические машины служат для превращения механической энергии в электрическую (генераторы переменного и постоянного тока) и для обратного превращения (электродвигатели).
Во всех указанных случаях используются в сущности три основных открытия в области электромагнетизма: явление механического взаимодействия токов, открытое Ампером в 1821 г., явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем в 1831 г., и теоретическое обобщение этих явлений, сделанное Ленцем (1834 г.) в его известном законе о направлении индукционного тока (по существу закон Ленца предвосхитил закон сохранения энергии для электромагнитных процессов).
Для преобразования механической энергии в электрическую или обратно необходимо создать относительное движение проводящего контура с током и магнитного поля (магнита или тока).
В электрических машинах, рассчитанных на длительную работу, используется вращательное движение подвижной части машины (ротор машины переменного тока), расположенной внутри неподвижной части (статора). Обмотка машины, служащая для создания магнитного поля, называется индуктором, а обмотка, обтекаемая рабочим током, называется якорем. Оба последних термина употребляются и для машин постоянного тока.
Для увеличения магнитной индукции обмотки машин размещаются на ферромагнитных телах (сталь, чугун).
Все электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут использоваться как в качестве генераторов электрической энергии, так и в качестве электродвигателей.
В асинхронных двигателях используется одно из проявлений электромагнитной индукции. В курсах физики оно демонстрируется следующим образом:
Под медным диском, способным вращаться вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр, помещается вертикальный подковообразный магнит, приводимый во вращение вокруг той же оси (механическое взаимодействие диска и магнита исключено). При этом диск приходит во вращение в ту же сторону, что и магнит, но с меньшей скоростью. Если увеличить механическую нагрузку на диск (например, увеличив трение оси о подпятник), то скорость его вращения уменьшается.
Физический смысл этого явления легко объясняется теорией электромагнитной индукции: при вращении магнита создается вращающееся магнитное поле, наводящее в диске вихревые токи величина последних зависит при прочих равных условиях от относительной скорости поля и диска.
Согласно закону Ленца диск должен прийти во вращение в направлении поля. При отсутствии трения диск должен приобрести угловую скорость, равную скорости магнита, тогда ЭДС индукции исчезнет. В реальных условиях трение неизбежно присутствует, и диск приобретает меньшую скорость. Ее величина зависит от механического тормозящего момента, испытываемого диском.
Несовпадение скорости вращения диска (ротора) со скоростью вращения магнитного поля отражено в названии двигателей.
Принцип действия асинхронных двигателей:
В технических асинхронных двигателях (чаще всего трехфазных) вращающееся магнитное поле создается многофазным током, обтекающим обмотку неподвижного статора. При частоте трехфазного тока f и числе катушек статора 3 р вращающееся поле делает n = f/p об/сек.
В полости статора располагается способный вращаться ротор. С его валом можно соединить механизм, приводимый во вращение. В простейших «короткозамкнутых» двигателях ротор состоит из системы продольных металлических стержней, помещаемых в пазы стального цилиндрического тела. Провода соединены накоротко двумя кольцами. Для увеличения вращательного момента радиус ротора делается достаточно большим.
В других конструкциях двигателей (обычно — это двигатели большой мощности) проводники ротора образуют разомкнутую трехфазную обмотку. Концы катушек замкнуты накоротко в самом роторе, а начала выведены к трем контактным кольцам, насаженным на вал ротора и изолированным от него.
На теле статора имеется доска для зажимов. К ним выводятся обмотки статора. Они могут быть включены звездой, либо треугольником, в зависимости от напряжения сети: в первом случае линейное напряжение может быть в 1,73 раз больше, чем во втором.
Величина характеризующая относительное запаздывание ротора по сравнению с полем статора у асинхронного двигателя, называется скольжением. Она изменяется от 100% (в момент пуска двигателя) до нуля (идеальный случай движения ротора без потерь).
Перемена направления вращения асинхронного двигателя достигается взаимным переключением каких-либо двух линейных проводов электрической сети, питающей двигатель.
Короткозамкнутые двигатели широко применяются в промышленности. Достоинствами асинхронных двигателей являются простота конструкции и отсутствие скользящих контактов.
Генераторы переменного тока
Благодаря неподвижности обмотки якоря отпадают технические затруднения, связанные с использованием скользящих контактов при больших мощностях.
На рисунке ниже схематически изображен однофазный генератор. Его ротор имеет восемь полюсов. На них намотаны катушки (не показанные на рисунке), питаемые от постороннего источника постоянным током, подводимым к контактным кольцам, укрепленным на валу ротора. Полюсные катушки намотаны таким образом, что знаки полюсов, обращенных к статору, чередуются. Число полюсов обязательно четное.
В теле статора размещена обмотка якоря. Ее длинные рабочие «активные» проводники, перпендикулярные к плоскости чертежа, показаны на рисунке кружками, они пересекаются линиями магнитной индукции при вращении ротора.
В кружках указано мгновенное распределение направлений индуцированных электрических полей. Соединительные провода, идущие по передней стороне статора, показаны сплошными линиями, а по задней стороне — пунктиром. Зажимы К служат для присоединения внешней цепи к обмотке статора. Направление вращения ротора указано стрелкой.
Если мысленно разрезать машину по радиусу, проходящему между зажимами К, и развернуть на плоскость, то взаимное расположение обмотки статора и полюсов ротора (сбоку и в плане) изобразится схематическим рисунком:
Рассматривая рисунок, убеждаемся, что все активные проводники (проходящие над полюсами индуктора) соединены друг с другом последовательно, причем индуцируемые в них ЭДС суммируются. Фазы всех ЭДС, очевидно, получаются одинаковыми. За время одного полного оборота ротора в каждом из проводников (и, следовательно, во внешней цепи) получится четыре полных периода изменения тока.
Если электрическая машина имеет p пар полюсов и ротор вращается, совершая n оборотов в секунду, то частота получаемого от машины переменного тока равна f = pn гц.
Так как частота ЭДС в сети должна быть неизменна, то скорость вращения роторов должна быть постоянна. Для получения ЭДС технической частоты (50 гц) можно использовать сравнительно медленное вращение, если число полюсов ротора достаточно велико.
Для получения трехфазного тока в теле статора располагают три отдельные обмотки. Каждая из них смещена относительно двух других на одну треть дугового расстояния между соседними (разноименными) полюсами индукторов.
Легко убедиться, что при вращении индукторов в обмотках индуцируются ЭДС, сдвинутые по фазе (во времени) на 120°. Концы обмоток выводятся из машины и могут соединяться звездой или треугольником.
В генераторе относительная скорость поля и провода определяется диаметром ротора, числом оборотов ротора в секунду и числом пар полюсов.
Если генератор приводится во вращение током воды (гидрогенератор), то обычно он делается тихоходным. Для получения нужной частоты тока приходится увеличивать число полюсов, что в свою очередь требует увеличения диаметра ротора.
По ряду технических соображений мощные гидрогенераторы имеют обычно вертикальный вал и располагаются над гидротурбиной, приводящей их во вращение.
Если генератор приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания, то его называют дизель-генератором, так как в качестве двигателей обычно применяют дизели, потребляющие более дешевое топливо.
Обратимость генераторов, синхронные двигатели
Если к обмотке статора генератора приключить переменное напряжение от внешнего источника, то возникнет взаимодействие полюсов индуктора с магнитным полем тока, создавшегося в статоре, причем на все полюсы будут действовать вращающие моменты одного и того же направления.
Если ротор вращается с такой скоростью, что как раз через половину периода переменного тока под рассматриваемый проводник обмотки статора подойдет следующий полюс индуктора (противоположный по знаку первому полюсу), то знак силы взаимодействия между ним и током, изменившим свое направление, останется прежним.
При этих условиях ротор, находясь под непрерывным воздействием вращающего момента, будет продолжать свое движение и сможет приводить в действие какой-либо механизм. Преодоление сопротивлений движению ротора будет происходить за счет энергии, потребляемой из сети, и генератор превратится в электродвигатель.
Следует отметить, однако, что непрерывное движение возможно лишь при строго определенной скорости вращения, так как при отклонении от нее на каждый из полюсов ротора, перемещающийся между двумя проводниками статора, часть времени будет действовать ускоряющий вращающий момент, часть же времени — тормозящий.
Таким образом, скорость вращения двигателя должна быть строго определенной,— время, в течение которого полюс заменяется следующим, должно совпадать с полупериодом тока, поэтому подобные двигатели и называются синхронными.
Если переменное напряжение подается в обмотку статора при неподвижном роторе, то, хотя все полюсы ротора в течение первого полупериода тока и испытывают действие вращающих моментов одного и тою же знака, все же вследствие инерции ротор не успеет сдвинуться с места. В следующий полупериод знак вращающих моментов для всех полюсов ротора изменится на обратный.
В результате ротор будет вибрировать, но вращаться не сможет. Поэтому синхронный двигатель необходимо сначала раскрутить, т. е. довести до нормального числа оборотов, и лишь после этого включать ток в обмотку статора.
Раскручивание синхронных двигателей производится механическими способами (при малых мощностях) и специальными электрическими устройствами (при больших мощностях). 
При небольших изменениях нагрузки режим двигателя автоматически изменяется, приспосабливаясь к новой нагрузке. Так, при увеличении нагрузки на вал двигателя ротор мгновенно затормаживается. Благодаря этому меняется фазовый сдвиг между напряжением сети и противодействующей ЭДС индукции, наводимой индуктором в обмотке статора.
Кроме того, реакция якоря создает размагничивание индукторов, поэтому ток в статоре растет, индукторы испытывают увеличенный вращающий момент и двигатель, вновь начинает вращаться синхронно, преодолевая увеличенную нагрузку. Аналогичный процесс происходит при уменьшении нагрузки.
При резких колебаниях нагрузки эта приспособляемость двигателя может оказаться недостаточной, скорость его изменится значительно, он «выпадет из синхронизма» и в конце концов остановится, при этом исчезает ЭДС индукции, наводившаяся в статоре, и ток в нем резко увеличивается. Поэтому следует избегать резких колебаний нагрузки. Для остановки двигателя, очевидно, нужно сначала выключить цепь статора, а потом уже выключать индукторы, при пуске двигателя следует придерживаться обратного порядка операций.
Синхронные двигатели наиболее часто применяются для привода механизмов, которые работают с постоянной скоростью. Достоинства и недостатки синхронных двигателей, а также способы их пуска рассмотрены здесь: Синхронные двигатели и их применение
МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
6.1 Общее устройство машин переменного тока
Машинами переменного тока (МПрТ) называются устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую и наоборот. Как и машины постоянного тока (МПТ), они обладают принципом обратимости и также имеют подвижную и неподвижную части. Подвижная часть называется р о т о р о м, а неподвижная с т а т о р о м.
В отличие от МПТ, в машинах переменного тока наиболее важным узлом является неподвижная часть, т.е. статор (рис.52). Это объясняется тем, что именно в обмотке статора наводится ЭДС. В генераторе она создает напряжение на клеммах машины, а в двигателе определяет величину поступающего тока и и его механические характеристики.
В результате при 3-х кратном увеличении числа катушек, можно получить все меньшие скорости вращения:
| Число катушек |
| Скор. вращ.(об/мин) |
| Чсло полюсов |
Несмотря на большое количество катушек, у статора любой МПрТ всего 6 выводных клемм. Это значит, что все катушки объединяются в 3 однофазных группы, а в каждой группе (фазе) они соединяются либо параллельно либо последовательно. Стороны катушек укладываются в пазы, а расстояния между сторонами выбирается таким образом, чтобы они оказались под соседними противоположными полюсами ротора. Это приводит к тому что ЭДС, наводимые на противоположных сторонах каждой катушки складываются друг с другом. Реальная технология создания обмоток статоров машин переменного тока достаточно сложна и разнообразна. Поэтому в рамках отведенного программой количества учебных часов, мы больше не будем на этом останавливаться.
Что касается роторов МПрТ, то их конструкция задается типом машины переменного тока, который, в свою очередь, определяется характером поведения ротора по отношению к вращающемуся магнитному полю статора. А именно, существует два типа машин: а) с и н х р о н н ы е машины; б) а с и н х р о н н ые машины.
6.2 Асинхронные двигатели
Асинхронные двигатели (АД, рис.55) получили широкое распространение в различных отраслях промышленности и бытовых приборах благодаря простоте конструкции. Они широко применяются в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих станков, кузнечно-прессовых, ткацких, швейных, грузоподъемных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, центрифуг, в ручном электроинструменте.
Асинхронные двигатели выпускаются в двух исполнениях: а) с короткозамкнутым ротором (КР); б) с фазным ротором (ФР). Именно первый тип двигателей получил наибольшее распространение. Двигатели с фазным ротором используются реже вследствие относительной сложности и дороговизны конструкции. Однако они обладают лучшими пусковыми и регулировочными характеристиками и их применяют для привода конвейеров, подъемников, крановых конструкций, различных промышленных мельниц (угольных, цементных и т. д.), вентиляционных систем, а также технических средств, рассчитанным на длительное время непрерывной работы. Ниже рассматривается принцип работы АД с короткозамкнутым ротором, который, в целом сохраняется и в машинах с фазным ротором.
Асинхронный двигатель с КР работает следующим образом:
1) при подаче 3-х фазного напряжения в обмотку статора, в его катушках появляется ток, который порождает вращающееся магнитное поле (см.выше);
2) магнитное поле, пересекая «беличье колесо» обмотки ротора, наводит в ней по закону электромагнитной индукции вихревую электрическую ЭДС, которая, в свою очередь, наводит в его стержнях ток и магнитное поле.
3) магнитное поле ротора взаимодействуя с бегущим магнитным полем статора, создает на роторе вращающий момент и увлекает его за вращающимся полем статора.
Если ротор неподвижен, то n=0 и s=1; если ротор достиг скорости вращения магнитного поля, то n= n0 и s=0. Следовательно для всех возможных скоростей вращения ротора справедливо неравенство: 0 Режим пуска
В. Режим холостого хода
Этот режим характеризуется отсутствием нагрузки на валу двигателя и, как следствие, высокой скоростью вращения ротора. Коэффициент скольжения при этом находится в пределах 0,02 ≤ s ≤ 0,05. Это значит, что относительная скорость вращения (перемещения) ротора и статора очень мала, а следовательно, будет малой и ЭДС, наводимая магнитным полем статора в обмотках ротора.
Малость ЭДС ведет к двум следствиям: а) незначительности тока и магнитного поля ротора; б) незначительности индуктивного сопротивления обмотки ротора, хL≈ 0.
Первое следствие означает небольшую величину взаимодействия магнитных полей ротора и статора и малость вращающего момента – его величины хватает только на то, чтобы, преодолевая незначительные силы трения в подшипниках ротора, поддерживать на постоянном уровне скорость его вращения.
Второе следствие означает п е р п е н д и к у л я р н у ю ориентацию магнитных полей ротора и статора (рис.58). Действительно, на фазовой диаграмме в этом режиме вектор тока ротора, а следовательно и его магнитного потока, будет почти совпадать по фазе с вектором ЭДС обмотки ротора. Это связано с тем что сопротивление ротора будет иметь почти активный характер:
Перпендикулярность магнитных полей значительно увеличивает касательную составляющую взаимодействия, однако в режиме х/х это обстоятельство никак себя не проявляет из-за незначительной величины магнитного поля ротора. Зато это прямым образом влияет на величину тока в обмотке статора: он становится очень малым ( 3-5% от номинального). Причина этого очевидна: магнитное поле статора не встречает противодействия со стороны магнитного поля ротора и создает противоэдс сетевому напряжению даже при незначительном токе в обмотке статора. Эта ситуация воспроизводит режим работы трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке.
С. Рабочий режим
Рабочий режим АД является промежуточным между рассмотренными выше режимами. Действительно, появление нагрузки означает возникновение на валу двигателя тормозного момента и замедление скорости вращения ротора. Это означает, что векторная диаграмма холостого хода должна плавно трансформироваться в векторную диаграмму режима пуска. Легко понять, что это должно проявляться:
а) в изменении угла ориентации магнитных полей ротора и статора от 90 0 до 180 0 ;
б) в увеличении магнитного поля ротора от минимального значения при х/х до максимального значения при пуске.
На рис.59 представлены графики зависимости вращающего момента АД и его составляющих от скорости вращения ротора. Кривая 1 описывает поведение касательной составляющей взаимодействия, которая уменьшается с замедлением скорости вращения ротора. Кривая 2 отображает поведение самих сил взаимодействия по модулю, в частности их увеличение с замедлением вращения ротора. В итоге полный вращающий момент двигателя приобретает «колоколообразную» форму (рис.59, «3»).
Нормальный рабочий режим двигателя осуществляется при Мном. На практике он в 2-3 раза меньше максимальноого момента Мкр.
Ротор (электромашины)
Р. синхронных машин разделяют на явнополюсные и неявнополюсные. Явнополюсный Р. состоит из ярма и прикрепленных к нему полюсов с обмотками возбуждения. Неявнополюсный Р. обычно изготовляется как единое целое из одной стальной поковки, в которой фрезеруют пазы для укладки в них обмотки возбуждения.
Лит.: Костенко М. П., Пиотровский Л. М., Электрические машины, 3 изд., ч. 1‒2, Л., 1972‒73.
Смотреть что такое «Ротор (электромашины)» в других словарях:
ротор электромашины — вращающаяся часть электрической машины (двигателя или генератора), располагающаяся внутри неподвижного статора. Понятие «ротор», как правило, относят к машинам переменного тока, в машинах постоянного тока ротор называется якорем. Ротор… … Энциклопедия техники
Ротор (в технике) — Ротор в технике [от лат. roto ≈ вращаю (сь)], 1) вращаюшаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела (например, ротор Ванкеля двигателя) или отдающие её рабочему телу (например, Р.… … Большая советская энциклопедия
Ротор — I Ротор (математический) то же, что Вихрь векторного поля. II Ротор в технике [от лат. roto вращаю (сь)], 1) вращаюшаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела… … Большая советская энциклопедия
Ротор (техника) — У этого термина существуют и другие значения, см. Ротор. Межопорный ротор … Википедия
ротор — 1) вращающаяся часть двигателей и рабочих машин, напр. ротор двигателя Ванкеля, ротор роторного насоса, маховик инерционного двигателя, рабочий орган роторного экскаватора. 2) Вращающаяся часть электрической машины, как правило, переменного тока… … Энциклопедия техники
Ротор (в технике) — Ротор: Межопорный ротор Тело, которое при вращении удерживается своими несущими поверхностями в опорах[1]. Автоматически управляемая машина (транспортное устройство, прибор), в которой заготовки двигаются вместе с обрабатывающими их орудиями по… … Википедия
Ротор — Роторный экскаватор как экспонат в бывшем угольном карьере «стальном городе» Феррополис (Германия), превращенном в музей под открытым небом Ротор от лат. roto ) вращаться В математике: Ротор то же, что вихрь векторного поля, то… … Википедия
Электрические станции* — I. Общие понятия. II. Типы Э. станций по производству Э. энергии. III. Классификация их. IV. Здания и помещения Э. станций. V. Оборудование Э. станций. VI. Эксплуатация Э. станций. VII. Судовые Э. станции. VIII. Вагонные и поездные Э. станции. IX … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Электрические станции — I. Общие понятия. II. Типы Э. станций по производству Э. энергии. III. Классификация их. IV. Здания и помещения Э. станций. V. Оборудование Э. станций. VI. Эксплуатация Э. станций. VII. Судовые Э. станции. VIII. Вагонные и поездные Э. станции. IX … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Двигатель внутреннего сгорания — Схема: Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с глушителем … Википедия